Принципы построения систем автоматического управления

В производстве и в быту необходимо поддерживать постоянными или изменять по заданному закону физические величины, называемые регулируемыми величинами (частоту вращения вала турбины, координаты движущегося объекта, напряжение, температуру, давление и т.д.). Для этого используют автоматические регуляторы, которые на основании измерения регулируемой величины или возмущений формируют управляющее воздействие на объект регулирования. Автоматический регулятор и объект управления образуют систему автоматического регулирования (САР) или управления (САУ).

При построении САУ используют три основных принципа автоматического регулирования: по возмущению, по отклонению, комбинированный.

Р

y (t)

ОУ

х з(t)

z (t)

x (t)

В системах автоматического регулирования по возмущению управляющее воздействие зависит от возмущающего и задающего воздействия (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Функциональная схема САР по возмущению

Сигнал z (t), пропорциональный возмущению, подаётся на вход регулятора, который формирует управляющее воздействие у (t), компенсирующее действие возмущения. В результате регулируемая величина х (t) поддерживается на заданном уровне х_з (t). При построении такой системы необходимо как можно точнее определить и реализовать в регуляторе зависимость требуемого управляющего воздействия от величины возмущения.

Преимущество САР по возмущению – быстродействие, т.к. они компенсируют влияние возмущающего воздействия до того, как оно изменит регулируемую величину.

Недостатки САР по возмущению:

- ограниченность применения, т.к. эти системы применимы лишь в том случае, когда на регулируемую величину существенно влияет мало (1–2) возмущений, и есть возможность измерения этих возмущений;

- невысокая точность поддержания регулируемой величины на заданном уровне из-за невозможности учесть влияние всех возмущений.

Р

y (t)

ОУ

х з(t)

z (t)

x (t)

В САР по отклонению (с обратной связью по регулируемой величине) на вход регулятора кроме задающего воздействия х_з (t) подаётся сигнал, пропорциональный регулируемой величине х (t) (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Функциональная схема САР по отклонению

Управляющее воздействие у (t) в САР по отклонению формируется в зависимости от величины и знака отклонения текущего значения регулируемой величины х (t) от её заданного значения х_з (t):

,

где – сигнал ошибки (рассогласования) по которому преобразуется для получения управляющего воздействия у (t).

Преимущество САР по отклонению – для управления используется сигнал соответствующий регулируемой величине, поэтому при выработке управляющих воздействий учитывается влияние на регулируемую величину всех возмущающих воздействий. Это позволяет поддерживать регулируемую величину с высокой точностью.

Недостатки САР по отклонению:

- наличие обратной связи может вызвать недопустимые колебания регулируемой величины;

- система может стать неустойчивой (чаще всего из-за запаздывания объекта регулирования).

Принцип действия САР требует отклонения регулируемой величины под действием возмущения. Регулятор должен ˝почувствовать˝ отклонение регулируемой величины. Это снижает быстродействие, устойчивость и точность работы САР в переходных режимах.

Р

y (t)

ОУ

х з(t)

z (t)

x (t)

В комбинированных системах одновременно используются принцип регулирования по возмущению и по отклонению (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Структурная схема комбинированной САР

Управляющее воздействие в комбинированных САР зависит от отклонения текущего значения регулируемой величины от заданного и величины возмущения z (t):

.

Достоинства комбинированных САР (сочетают достоинства САР по возмущению и по отклонению):

- как замкнутые по регулируемой величине САР имеют высокую точность поддержания регулируемой величины в установившемся режиме;

- за счёт составляющей управляющего воздействия , соответствующей основному возмущению z (t), парирует действие возмущения на регулируемую величину. Это уменьшает отклонение регулируемой величины в переходных режимах и повышает устойчивость и быстродействие САР.