Принципы регулирования

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ И СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Краткие исторические сведения

Впервые сведения об автоматах появились в начале нашей эры в работах Герона Александрийского "Пневматика" и "Механика", где описаны автоматы, созданные самим Героном и его учителем Ктесибием.

В средние века значительное развитие получила так называемая "андроидная" автоматика.

Весьма интересные андроиды были созданы в XVII – XVIII вв. В XVIII в. швейцарские часовщики

Пьер Дро и его сын Анри ,русский механиком-самоучкой Кулибиным.

На рубеже ХVIII и XIX вв., в эпоху промышленного переворота, начинается новый этап в развитии автоматики, связанный с ее внедрением в промышленность. Появились первые автоматические устройства, к которым относятся регулятор уровня Ползунова (1765 г.), регулятор скорости паровой машины Уатта (1784 г.), система программного управления ткацким станком Жаккара (1804 – 1808 гг.) и т.д. Этим было положено начало регуляторостроения.

В настоящее время значение теории автоматического управления переросло рамки только технических систем. Динамические управляемые процессы имеют место в живых организмах, экономических и организационных человеко-машинных системах, их влияние существенно и отказ от них приводит к крупным потерям.

Основные понятия и определения

Любой технологический процесс можно расчленить на ряд более простых:

- рабочие операции – действия, непосредственным результатом которых является требуемая обработка материала, энергии, информации. Они сопряжены с затратами энергии, и, если они выполняются человеком, то на их выполнение затрачивается его физическая сила

- операции управления – обеспечивающие придание в нужные моменты нужных режимов, направлений и т.п. На операции управления затрачивается интеллектуальный труд человека, и эти операции требуют определенной квалификации исполнителя.

Совокупность операций управления образует процесс управления. Таким образом, под управлениемпонимают такую организацию того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенной цели.

Механизация – замена труда человека в рабочих операциях работой машин и механизмов.

Автоматизация – замена труда человека в операциях управления действиями технических управляющих устройств.

Объект управления - совокупность технических средств, выполняющих данный технологический процесс. Объектами управления являются механизмы, машины и аппараты, биологические объекты, социальные группы, экономические процессы.

Систему управления – совокупность средств управления и объекта. Система, в которой все рабочие операции и операции управления выполняют автоматические устройства, называется автоматической. Система, в которой автоматизирована только часть операций, другая же их часть сохраняется за людьми, называется автоматизированной (частично автоматической).

Для наглядного схематического изображения системы автоматического управления (регулирования) используют структурные схемы, в которых отдельные элементы системы изображаются в виде прямоугольников, а связи между элементами – линиями со стрелками, показывающими направление передачи сигнала (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Примеры структурных схем:

Рис. 1.2 Примеры изображения объектов с входными и выходными сигналами:

Любой элемент системы характеризуется входной координатой (сигналом) x(t) и выходной координатой y(t), которая зависит от входного сигнала. В свою очередь входная координата может носить возмущающий и управляющий (регулирующий) характер. Возмущающее воздействие (возмущение) u(t) вызывает отклонение управляемой (регулируемой) координаты от заданного значения. Управляющее x(t) (регулирующее xр(t)) воздействие служит для поддержания управляемой (регулируемой) координаты y(t) в соответствии с некоторым законом управления (поддержания регулируемой координаты на заданном уровне) (рис. 1.2).

Принципы регулирования

Одним из первых промышленных регуляторов является сконструированный в 1784 г. Джеймсом Уаттом центробежный регулятор числа оборотов вала паровой машины (рис. 1.3.)

Задачей регулирования является поддержание постоянной скорости вращения вала паровой машины.

Рис. 1.3 Регулятор Уатта

При изменении числа оборотов вала грузы 1 под действием центробежной силы изменяют свое положение, что приводит к перемещению регулирующего органа 2 и изменению подачи пара. Это в свою очередь вызывает изменение числа оборотов вала, но в противоположном направлении. Анализ рассмотренного регулятора показывает, что он построен по принципу, который наглядно проявляется на структурной схеме, представленной на рис. 1.4

Рис. 1.4 Структурная схема система регулирования Уатта

В рассматриваемом примере основными элементами системы автоматического регулирования являются: объект – паровая машина; регулирующее устройство – центробежная муфта с регулирующей заслонкой.

Выходной параметр координаты, он же и регулируемая переменная – число оборотов n; регулирующая переменная – расход пара в паровую машину – Gp, возмущающие воздействия – нагрузка на валу паровой машины, давление пара в трубопроводе.

Принцип, по которому построен регулятор Уатта, состоит в том, что регулятор изменяет регулирующее воздействие(количество подаваемого пара) при отклонении регулируемой переменной( оборотов вала) от заданного значения независимо от причин, вызвавших это отклонение. Таким образом, в зависимости от значения выходного сигнала объекта регулятор изменяет его входной сигнал. Недостатком регулятора Уатта была недостаточная точность стабилизации оборотов вала т.к. он осуществлял статическое регулирование и имел характеристику показанную на рис. 1.5.

М1 – n1 – Q1

M2 – n2 – Q2

Рис. 1.5 Характеристика регулирования статического регулятора

Регулирование называется статическим, если установившееся значение регулируемой величины принимает различные значения, зависящие от возмущающего воздействия.

Рис. 1.6 Характеристика регулирования астатического регулятора

Астатическим регулированием называется такое регулирование, при котором в установившемся режиме поддерживается постоянное значение регулируемой величины не зависимо от величины возмущающего воздействия.

Для реализации алгоритма регулирования в конструкцию системы вводится связь, получившая название обратной связи, потому что по ней происходит передача сигнала с выхода объекта на его вход по направлению, обратному направлению передачи основного воздействия на объект.

Объект и регулятор образуют замкнутую систему, называемую системой автоматического регулирования (САР). Если сигнал обратной связи складывается с основным сигналом, то связь называется положительной, если вычитается – отрицательной. В автоматических системах управления связь всегда отрицательна.

Схемы с обратной связью осуществляют управление по отклонению(рис. 1.7) показателя процесса – выходной координаты y(t) от заданного значения yзад; Δy = y(t) – yзад – называется отклонениемили ошибкойуправления. Рассмотренная система управления с обратной связью относится к классу систем автоматического регулирования по отклонению.

Рис. 1.7 Структурная схема регулирования по отклонению

Таким образом, автоматической системой регулирования по отклонению называют систему, в которой измеряется отклонение регулируемой величины от заданного значения и в зависимости от измеренного отклонения подается такое воздействие на регулирующий орган, которое уменьшает величину отклонения так, что Δ y → 0 при t → ∞.

Кроме регулирования по отклонению возможен другой способ регулирования – это регулирование по возмущению. В этом случае регулирующее воздействие вырабатывается регулятором в зависимости от величины возмущения. Системы регулирования по возмущению являются разомкнутыми системами, так как в них отсутствует обратная связь (рис. 1.8).

Рис. 1.8 Структурная схема регулирования по возмущению

Идея этого способа заключается в том, что, если мы сможем компенсировать все возмущения в системе, то регулируемая величина не будет отклоняться от заданного значения. Рассматриваемый принцип регулирования впервые был предложен в 1830 г. французским инженером Ж. Понселе.

Еще одним принципом управление является разомкнутое управление.

Рис. 1.9 Структурная схема разомкнутого регулирования

Такой принцип работает успешно при наличии двух условий:

- наличие информации о свойствах объекта и неизменности этих свойств,

- незначительное или полное отсутствие помех.

Компенсировать все возможные возмущения в объекте удается крайне редко, а наличие таких возмущений, как колебание температуры, влажности, старение и износ деталей и механизмов, , т.е. произвольное изменение свойств объекта, вообще не подлежит компенсации. Например, опасность использования принципа Понселе при регулировании уровня жидкости в емкости, когда приток жидкости соотносится с ее расходом, заключается в том, что вследствие изменения расходных характеристик вентилей на притоке и расходе, испарения жидкости, ее дренажа и т.п., емкость может переполниться, либо опустеть. Регулирование по отклонению лишено этого недостатка, здесь компенсация отклонения регулируемой координаты от заданной происходит независимо от того, какими причинами вызвано это отклонение, но выполнить одновременно условия точности и быстродействия трудно. Часто повышение точности и быстродействия системы приводит к ее неработоспособности.

Наиболее эффективными системами регулирования являются комбинированные САР, сочетающие оба рассматриваемых принципа (рис. 1.10).

Рис. 1.10 Структурная схема комбинированной системы регулирования

В этих системах наиболее сильные возмущения компенсируются специальным регулятором, а контур регулирования по обратной связи устраняет отклонения регулируемой координаты, вызванные другими возмущениями.

Таким образом, в основе построения системы автоматического регулирования лежат общие фундаментальные принципы регулирования, определяющие, каким образом осуществляется поддержание регулируемой величины на заданном уровне в соответствии с причинами, вызывающими ее отклонение от этого уровня. В настоящее время известно и

используют два фундаментальных принципа регулирования: принцип регулирования по отклонению ипринцип регулирования по возмущению.