Поняття про автоматичне регулювання

Стан любого технічного агрегата можна охарактеризувати однією або

декількома фізичними величинами. Наприклад, генератор електричного струму характеризується величиною напруги на вихідних клемах та частотою цієї напруги, електричний двигун – обертами його вала, електричний транспортний засіб – швидкістю руху та силою тяги, електричний перетворювача електричної енергії величинами вихідних напруги та струму.

В теорії автоматичного регулювання технічний агрегат називають регулюємим об’єктом, а фізичні величини, що характеризують його стан, - регулюємими величинами. Автоматичним регулюванням називається зміна регулюємої величини по заданому закону без безпосередньої участі людини. Ціль регулювання полягає в забезпеченні необхідного закону зміни регулюємої величини. Закони зміни регулюємої величини можуть бути різними. Наприклад, в багатьох технічних задачах вимагається піддержувати регулюєму величину на заданому постійному рівні. В більш складних випадках вимагається змінювати регульовану величину в часі (або в функції якоїсь другої величини) по наперед заданому закону. Часто закон зміни регульованої величини наперед є невідомим, тобто є випадковою функцією часу.

Наприклад, часто є необхідним, щоб напруга генератора та її частота підтримувались постійними на заданих рівнях, швидкість руху транспортного засобу змінювалась по заздалегідь розробленій програмі, вихідні напруга та струм напівпровідникового перетворювача електричної енергії не змінювались при змінах параметрів вхідної напруги та навантаження. Таким чином, регульовану величину y(t) об’єкта (рис.1.2) необхідно регульовати так, щоб вона дорівнювала заданій величині y_з(t), тобто

(1.1)

Величина y_з(t) може бути постійною, або змінюватись по якомусь закону (наперед відомому, або невідомому).

Для того щоб регульована величина об’єкта прийняла необхідне значення, на його вхід подається регулююче діяння q(t).

В реальних об’єктах регулювання завжди присутні причини, що відхиляють регульовану величину від необхідного закону його зміни. Такі причини називаються збурюючіми діяннями і позначаються f₁,…f_n. Серед збурюючіх можна виділити одно або декілька, що найбільш сильно діють на регульовану величину. Такі збурюючі діяння називають основними, а всі останні – другорядними.

Деякі приклади конкретних об’єктів регулювання різної фізичної природи наведені на рис.1.3. На рис.1.3,а приведено резервуар ГР гальмової системи електровоза, що живиться стисненим повітрям від компресора К. Необхідно щоб тиск повітря в резервуарі підтримувався на заданім незміннім рівні Р_о. В такому випадку тиск є регульованою величиною. Необхідний закон регулювання . Основною причиною ( збурюючім діянням), що приводять до відхилення тиску від заданої величини Р_о є відкриття гальмового крана.

До другорядних можна віднести: негерметичність міжвагонних з’єднань гальмового трубопроводу; зміни параметрів стиснутого повітря внаслідок змін температури.

Відхилення тиску від заданої величини Р_о в такій системи може компен-

суватись зміною про-дуктивності компресора, що досягається регулюванням обертів привідного лектричного двигуна або реугулюванням часу його роботи при незмінній продуктивності.

На рис.1.3,б при­ведена схема елект­роприводу з двигу­ном постійного струму незалежного збудженням. Якірне коло двигуна М підключено до керованого джерела постійного струму КЖ з напругою U_я, величину якої можна збільшувати або зменшувати змінюючи U_з. Регульованою величиною є кутова швидкість W обертання якоря двигуна. Для більшості потрібно, щоб ця швидкість була незмінною і дорівнювала заданій величині, тобто . Основним збурюючім діянням, що впливає на швидкість обертання якоря, в цій системі регулювання є зміни навантаження в наслідок підключення або відключення механізмів. До другорядних збурень можуть бути віднесені зміни струму I_o обмотки збудження LE , зміни опору щітково – колекторного вузла (внаслідок спрацьовування щіток), і т.д. Об’єктом регулювання є електричний двигун, а регулюючим органом - кероване джерело живлення ДЖ,вихідна напруга U_я якого змінюється під дією керуючого діяння U_з. При збільшенні U_з збільшується напруга U_я, що викликає збільшення швидкості. І навпаки, зменшення U_з викликає зменшення кутової швидкості якоря двигуна.

На рис.1.3, в приведена функціональна схема керованого напівпровідникового перетворювача змінної напруги U_м в постійну U_н. Управління перетворювачем здійснюється системою керування СК. Основне збурююче діяння викликає навантаження Н. Зміна величини навантаження викликає зміни струму I_н та напруги U_н. Другорядні збурюючі діяння є результатом змін живильної напруги U_м, змін температури, що впливають як на перетворювач, так і на систему керування і т.д. В даній системі об’єктом регулювання є перетворювач. Регулюючий орган – система керування, що формує керуюче діяння a(t). Змінюючи вхідне діяння U_з можна компенсувати зміни вихідної напруги перетворювача.

Із наведених прикладів неважко зробити висновок, що розглянуті об’єкти регулювання є частковими випадками функціональної схеми, що показана на рис.1.2. В кожному конкретному випадку змінюється лише фізична природа регульованої величини у(t), регулюючої величини q(t) і збурюючих діянь f₁…f_n. Пристрій, що автоматично вирішує задачу регулювання в данім об’єкті, називається автоматичним регулятором. Об’єкт регулювання і автоматичний регулятор в сукупності утворюють систему автоматичного регулювання (САР). На рис.1.4 наведена узагальнена функціональна схема системи автоматичного регулювання. Фунуціональною називається схема автоматичного регулювання, що містить елементи які виконують конкретні самостійні функції та зв’язки між ними. Окремий елемент функціональної схеми можно замінити певним пристоєм автоматики. Замінивши кожен функціональний елемент реальним пристроєм і з’єднавши їх відповідно до передачі сигналів, одержимо пронціпіальну схему состеми автоматичного регулювання.

В склад поданої на рис.1.4 функціональної схеми входять:

1 – вхідний елемент, що перетворює вхідне діяння х(t) в форму зручну для порівняння з іншими сигналами;

2 – вузол підсумовування (основний), вихідний сигнал якого дорівнює алгебраічній сумі вхідних сигналів;

3 – послідовний корегуючий елемент, що надає системі регулювання заданих динамічних властивостей;

4 – додатковий вузол підсумовування;

5 – підсилювальний елемент для споріднення як по величині, так і по потужності вихідного сигналу попередньої частини схеми з вхідним сигналом слідуючого елемента;

6 – об’єкт регулювання;

7 – паралельний корегуючий елемент;

8 – вимірувальний елемент, вихідний сигнал якого пропорційний регульованій величіні у(t);

9 – перетворюючій елемент кола зворотного зв’язку.

10 – елемент, що компенсує дію зовнішнього збурюючого діяння f(t).

Всі елементи системи на рис.1.4 з’єднуються між собою за допомогою ліній зв’язку. Елемент 7 з лінією 12 створюють внутрішній зворотній зв’язок, в результаті чого на виході вузла підсумовування 4 одержують сигнал

, (1.2)

де U_з2 – сигнал зворотного зв’язку.

В залежності від знака U_з2 в контурі діє відємний або додатковий зворотній зв’язок. Так, знаку “ – “ відповідає від’ємний, а знаку “ + “ додатковий зворотній зв’язок.

Елементи 8,9 з лінією 11 створюють головний зворотій зв’язок, за рахунок дії якого в системі створюється сигнал похибки Dе₁, що характеризує точність роботи всієї системи регулювання

. (1.3)

При розмиканні головного зворотного зв’язку система автоматичного регулювання, що працює по замкнутому циклу, перетворюється в систему розімкнутого циклу.