Обратная связь в АСР

Обратная связь, как было объяснено в 4, является универсальным приемом, позволяющим эффективно управлять объектами в условиях случайных возмущаю­щих воздействий. Обратная связь используется во мно­гих отраслях техники, в частности в измерительной. Бо­лее того, обратная связь применялась еще задолго до от­крытия способа управления по отклонению. Можно привести такой простой пример. Протягивая руку, чтобы взять какой-либо предмет, мы подсознатель­но управляем движением руки, устраняя ошибки при ее приближении к предмету. Чтобы убедиться, что такое управление действительно имеет место, достаточно разо­рвать цепь обратной связи; попытаться взять предмет с завязанными глазами. Для выяснения сущности обратной связи проанали­зируем подробно процесс регулирования в замкнутой АСР по отклонению.

Рассмотрим действие обратной связи в АСР уровня в емкости (см. рис. 3 и 4). Пусть первоначально расходы на притоке и потреблении одинаковы, а уровень равен заданному. Если возникнет случайное возмущение, на­пример потребление уменьшится, то уровень начнет рас­ти. Если бы обратной связи не существовало, т. е. попла­вок не был бы связан с клапаном, рост уровня продол­жался бы все время, пока потребление из емкости меньше притока вплоть до ее переполнения. Действие же обратной связи приводит к тому, что по мере роста уров­ня клапан будет все больше и больше прикрываться, уменьшая тем самым расход на притоке. Этот расход будет уменьшаться до тех пор, пока не прекратится рост уровня, т. е. снова не наступит равен­ство притока и потребления. Таким образом, в резуль­тате действия обратной связи рост уровня, вызванный возмущением со стороны потребления, прекратится. При этом положение клапана будет отличаться от первона­чального (он будет больше прикрыт), а так как клапан жестко связан с поплавком, измеряющим уровень, то и значение уровня станет иным, чем заданное. Отсюда сле­дует, что такая АСР уровня компенсирует вредное дей­ствие возмущения не полностью: рост уровня прекраща­ется, но он не возвращается к заданному значению. Существуют системы, которые устраняют рассогласование полностью. Примером может служить АСР дав­ления в воздушном ресивере с притоком и потреблением воздуха. Принципиальная схема этой системы приведе­на на рис. 6, а взаимодействие ее элементов можно про­следить по структурной схеме на рис. 5, б. Цель управления здесь - стабилизация давления в ресивере воздействием на расход воздуха на притоке. Объектом в системе является ресивер 1 с притоком и по­треблением, регулируемым параметром х - давление в навешивается весом груза и поэтому результирующее усилие на штоке равно нулю. Шток при этом неподвижен и занимает такое положение, при котором приток равен потреблению. Тогда давление в ресивере не будет изменяться. Предположим, что расход потребляемого воздуха уменьшился, т. е. в системе возникло возмущение. Тогда количество воздуха в ресивере начнет увеличиваться и давление в нем будет возрастать. Это приведет к уве­личению усилия, действующего на мембрану со стороны измеряемого давления. В результате шток начнет пере­мещаться вверх, а клапан прикрываться, уменьшая при­ток воздуха в ресивер. Перемещение штока и уменьше­ние притока воздуха будут продолжаться до тех пор, по­ка усилия на штоке не уравновесятся. Так как вес груза не изменился, то при уравновешивании усилий на штоке давление в ресивере снова вернется к заданному зна­че нию. Таким образом, в рассмотренной АСР регулирующее воздействие осуществляется до тех пор, пока не исчезнет рассогласование. Способность этой системы в отличие от АСР уровня в емкости полностью устранять рассогласо­ва ние, вызванное случайными возмущениями, является ее важной особенностью.

Из рассмотренных примеров видно, что действие об­ратной связи направлено на уменьшение рассогласова­ния независимо от того, какими причинами оно вызвано. Убедимся теперь, что это свойство обратной связи про­является в любой АСР по отклонению. Для этого рас­смотрим структурную схему АСР по отклонению (см. рис. 5, б)Предположим, что сначала все сигналы в системе по­стоянны. Если под действием каких-либо возмущений ре­гулируемый параметр х начнет изменяться, то будет изменяться и рассогласование Лл:. Регулятор станет реа­гировать на изменение рассогласования и через регули­рующий орган изменять регулирующий параметр и. Ре­гулирующее воздействие на объект будет стремиться вернуть регулируемый параметр х к его первоначально­му значению, компенсируя тем самым действие возму­щения. Этот процесс в АСР не прекратится до тех пор, пока регулируемый параметр не перестанет изменяться, так как любое его изменение преобразуется суммато­ром С, регулятором Р, исполнительным механизмом ИМ

Рис. 6. Автоматическое регулирование давле­ния воздуха в ресивере:

1- ресивер, 2- клапан, 3- груз, 4- шток, 5 - мем­брана, 6- соединительная трубка в ресив ере, регулирующим и - расход воздуха на прито­ке, возмущением v - расход воздуха на потреблении. Расход на притоке изменяется клапаном 2, являю­щимся регулирующим органом. Функцию измерительно­го устройства выполняет мембрана 5, роль сумматора и регулятора - шток 4. Заданное значение давления J определяется весом груза 3. Давление в ресивере через трубку 6 действует снизу на мембрану 5 и создает на ней и, следовательно, на 1 штоке усилие, пропорциональное измеряемому давлению и направленное вверх. Это усилие сравнивается с вeсом груза, также действующего на шток, но направленного вниз. Результирующее усилие на штоке является рассогласованием Дл; и вызывает его перемещение. В peзультате изменяется степень открытия клапана а значит, и расход воздуха на притоке, т. е. регулирующий пaраметр и.

Пусть в начальный момент времени давление в ресивере равно заданному. Тогда усилие на мембране уравнено регулирующим органом РО в регулирующее воздейст­вие на объект.

Итак, в любой АСР возмущение стремится вывести ее из состояния равновесия, а действие обратной связи - вернуть к нему. Под состоянием равновесия, или уста­новившимся состоянием, понимают такое состояние си­стемы управления, при котором отсутствуют возмущаю­щее и регулирующее воздействия, и поэтому все ее сиг­налы остаются неизменными во времени. Аналогично определяется состояние равновесия отдельных элементов системы: объекта, регулятора и т. д. Любое другое со­стояние системы или ее элементов называется неуста­новившимся.

Используя понятие равновесия системы управления, можно сформулировать основное различие рассмотрен­ных АСР уровня в емкости и давления в ресивере. АСР давления независимо от величины возмущающего воз­действия всегда стремится к одному и тому же состоя­нию равновесия, в котором рассогласование между ре­гулируемым параметром и его заданием равно нулю. В АСР уровня состояние равновесия зависит от вели­чины возмущающего воздействия и поэтому рассогласо­вание может быть и не нулевым. В первом случае регулятор и сама АСР называются астатическими, а во втором - статическими.

Установившееся рассогласование в состоянии равновесияАСР называется остаточным отклонением или статической ошибкой.

Любой астатический регулятор обладает следующим характерным свойством: его выходной сигнал непрерыв­но изменяется, пока на его входе имеется ненулевое рас­согласование, и становится постоянным лишь после ис­чезновения рассогласования. Таким образом, состоянию равновесия астатического регулятора соответствует ну­левой входной сигнал, а его выходной сигнал при этом может иметь любое значение. Чтобы регулятор был астатическим, он должен содер­жать элемент, обладающий указанной реакцией на входной сигнал. Такой элемент называется интеграто­ром. Он не обязательно должен быть частью конструк­ции регулятора: иногда функцию интегратора выполняет исполнительный механизм. В статическом же регуляторе состояние равновесия может быть достигнуто и при ненулевом входном сигнале. При этом выходной сигнал регулятора однозначно связан с входным: каждому значению установившегося рассогласования соответствует одно определенное зна­чение установившегося выходного сигнала.

Так, в астатическом регуляторе АСР давления в ре­сивере (см. рис. 6) шток 4 будет непрерывно перемещаться, пока результирующее усилие на нем не станет равным нулю. В момент уравновешивания на штоке уси­лий со стороны мембраны 5 и груза 3 он остановится в произвольном положении. Следовательно, здесь шток выполняет функцию интегратора. В статическом регуля­торе АСР уровня в емкости (см. рис. 3) в момент урав­новеши- вания каждому углу поворота рычага 2 соответствует свое положение штока 3.

Характер процесса регулирования в замкнутой АСР существенно зависит от усиления сигналов в контуре регулирования, состоящем из прямой и обратной связей. Эффект усиления в таком контуре характеризуется глу­биной обратной связи. Чтобы определить глубину об­ратной связи, нужно разорвать контур регулирования, например, между сумматором и регулятором. Если в та­кой разомкнутой АСР создать на входе регулятора не­которое рассогласование, то этот сигнал, пройдя по кон­туру регулирования, в свою очередь, вызовет на выходе сумматора некоторое рассогласование. Тогда отношение этого рассогласования к рассогласованию на входе ре­гулятора и будет глубиной обратной связи.

Как известно, в астатическом регуляторе постоянное (ненулевое) рассогласование вызывает непрерывное из­менение выходного сигнала. Следовательно, в разомкну­той астатической АСР рассогласование на выходе сум­матора, а значит, и глубина обратной связи неограни­ченно увеличиваются с течением времени. В статической же АСР глубина обратной связи вполне определенная. Отсутствие статической ошибки в астатической АСР обу­словлено именно бесконечно большой глубиной обратной связи.

До сих пор рассматривалась такая обратная связь в АСР, при которой регулирующее воздействие, вызванное рассогласованием, приводит к его уменьшению. Такая обратная связь называется отрицательной. В приведен­ных примерах АСР обратная связь была отрицательной. Возможно и противоположное действие обратной связи, когда увеличивается первоначальное рассогласование в АСР. Такая обратная связь называется положи­тельной.

Если в рассмотренных АСР изменить конструкцию клапана таким образом, чтобы при движении штока вверх он открывался, а при движении вниз - закрывал­ся, то обратная связь станет положительной. Очевидно, что положительная обратная связь проти­воречит основному назначению АСР - уменьшению рас­согласования. Поэтому такая обратная связь применя­ется только для вспомогательных целей (например, для коррекции свойств отдельных элементов АСР).