Статические и астатические системы

Все автоматические системы регулирования по их свойствам в установившемся режиме можно разбить на две группы – статические и астатические.

Статическими системами называются такие, у которых отклонение регулируемой величины от заданного значения в установившемся режиме пропорционально величине возмущения вызвавшего это отклонение. В этих системах погрешность регулирования различна при разных нагрузках и лежит в основе самого принципа регулирования.

Астатическими системами автоматического регулирования называются такие системы, у которых погрешность регулирования в установившемся режиме равна нулю (в пределах зоны нечувствительности регулятора) и не зависит от нагрузки объекта.

Самонастраивающиеся системы

Самонастраивающимися (самоприспосабливающимися, адаптивными) называются такие системы, в которых параметры и структура управляющего устройства (регулятора) автоматически изменяются на основе информации для осуществления требуемого (оптимального) управле­ния объектом. Самонастраивающаяся система в процессе эксплуатации сама автоматически должна получать и использовать для выработки управляющих воздействия недо­стающую информацию.

Самонастраивающиеся системы принято разделять на системы с самонастройкой программы, параметров и структуры.

Вопрос 3. Схемы автоматики

Схема – это документ, поясняющий принцип действия и взаимодействие различных элементов, устройств или системы в целом.

Для изображения автоматических систем применяют принципиальные, функциональные и структурные схемы.

Принципиальная схема – позволяет визуально определить наличие, расположение, степень значимости различных элементов АС.

Функциональная схема (рис. 1.3)—это совокупность функциональных элементов, связанных между собой определенным образом. Функциональные элементы на схемах обозначают прямоугольниками, внутри которых указывается наименование в соответствии с выполняемыми функциями. Связи между функциональными элементами обозначаются стрелками по направлению прохождения сигнала.

Структурная схема (математическая модель процесса управления) — это графическое изображение структуры автоматической системы, когда каждой математической операции преобразования сигнала соответствует определенное звено (иногда ее называют алгоритмической структурной схемой). На структурной схеме элементы автоматической системы изображаются в виде прямоугольников, внутри которых записываются соответствующие математические операции, или передаточные функции.

Обобщённая функциональная схема

Представим наиболее общий случай построения систем автоматического управления, содержащий максимум элементов (рис. 1.3), где ЗЭ—задающий элемент, СЭ — сравнивающий элемент, ЧЭ — измерительный (чувствительный) элемент, ПЭ — преобразующий элемент, УЭ — усилительный элемент, ИЭ — исполнительный элемент, ОУ — объект управления, КЭ— местная обратная связь, ГОС — главная обратная связь.

Рис.1.3. Обобщённая функциональная схема

Чувствительный элемент, или измерительное устройство, измеряет действительное значение управляемой величины y(t) и преобразует его в однозначно соответствующую величину y₁(t), удобную для сравнения с задающей величиной g₁(t). Если чувствительный элемент создает электрический или пневматический сигнал, то его называют датчиком. В ГСП датчиком называют элемент, который выдает унифицированный сигнал.

Задающий элемент формирует задающее воздействие g(t), которое определяет необходимое значение управляемой величины, и преобразует его в однозначно соответствующую величину g₁(t), удобную для сравнения с величиной y₁(t).

В качестве задающего элемента могут использоваться различные кулачковые механизмы, функциональные потенциометры, перфокарты, магнитные пленки, профильные диаграммы и т. п. Иногда задающий элемент конструктивно объединяется в одно целое с измерительным и сравнивающим элементом.

Сравнивающий элемент в наиболее распространенном виде измеряет разность сигналов (ошибку) x(t)=g₁(t) - y₁(t). В сравнивающем элементе может происходить и суммирование сигналов. Операции алгебраического суммирования на схемах автоматики обозначаются условными знаками (рис. 1.2 в). В качестве сравнивающих элементов могут использоваться потенциометры, механические дифференциалы и сельсинные пары в трансформаторном режиме для сравнения угловых перемещений, устройства на резисторах для сравнения и суммирования электрических напряжений, токов и т. п.

Преобразующий элемент служит для преобразования сигналов в удобный вид и иногда объединяется в одно целое с датчиком или с другим элементом для дальнейшего использования.

Усилительный элемент усиливает сигнал рассогласования x(t) до величины, достаточной для приведения в действие исполнительного элемента. В усилительном элементе происходит увеличение сигнала за счет получения энергии извне. В системах автоматического управления чаще всего используются электрические (электронные, релейные, электромагнитные, магнитные, полупроводниковые и др.), гидравлические и пневматические усилители. Последние имеют высокие коэффициенты усиления по мощности и выполняют одновременно роль исполнительных элементов (серводвигателей, сервомеханизмов).

Исполнительный элемент вырабатывает и подает на регулирующий орган объекта управления управляющее воздействие u(t). По виду используемой энергии исполнительные элементы разделяют на электрические (электродвигатели постоянного и переменного тока, однооборотные электрические исполнительные механизмы и др.), гидравлические и пневматические (серводвигатели, характеризующиеся большими усилиями, быстродействием и высокой точностью).

Объекты, управления — это различные технические устройства, энергетические и силовые установки, транспортные средства, отдельные механизмы устройств и т. д.

Корректирующий элемент, или местная обратная связь,— это специальные устройства, вводимые в систему для улучшения качества управления.

Главная обратная связь — это связь между выходом системы и входом, образующая замкнутый контур управления.

На объект управления кроме управляющих входных воздействий u(t) влияют и различные внешние возмущающие воздействия f(t), или возмущения (рис. 1.3), вызывающие изменения управляемой, или регулируемой, величины y(t) (выходная величина).

Изменения во времени входных воздействий и выходных величин характеризуют состояние объекта. Для борьбы с возмущениями объект снабжается регулирующим органом РО, воздействуя на который вручную или автоматический, можно изменять управляемую величину, компенсируя нежелательные изменения, вызванные влиянием возмущений.

Следовательно, основная задача автоматического управления заключается в формировании такого закона изменения управляющих входных воздействий u(t), при котором желаемое поведение объекта достигается независимо от изменения поступающих на него возмущений f(t).

Основная же задача регулирования состоит в том, чтобы одну или несколько регулируемых величин y(t) сделать равными задающим (эталонным)

воздействиям g(t), т. е. y(t)=g(t) во все моменты времени работы системы с заданной точностью.

Вопрос 4. Принципы построения САУ.

В основе построения систем автоматического управления лежат три фундаментальных принципа: разомкнутого управления (регулирования); управления по возмущению и управления по отклонению (по ошибке).

Принцип разомкнутого управления состоит в том, что алгоритмы управления вырабатываются только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируются другими факторами—возмущениями или выходными координатами системы. Принципиальная схема разомкнутого управления показана на рис. 2.1а. Схема системы в этом случае имеет вид разомкнутой цепочки, в которой основное воздействие передается от входного (задающего) элемента ЗУ к выходному ОУ (объекту). Поэтому и принцип управления получил название разомкнутого. Основным недостатком его является то, что связь между у и х в разомкнутых системах обеспечивается только конструкцией и подбором физических закономерностей, действующих во всех элементах. Однако используется он очень широко и ввиду своей простоты его не всегда выделяют как один из фундаментальных принципов. На этом принципе построены все системы сигнализации, защиты, контроля, блокировки и т. п.

Ряд устройств, применяемых в автоматике, представляет собой элементы с управлением по разомкнутой цепи (переключатели, реле, логические элементы, некоторые преобразователи, усилители, счетно-решающие элементы, выполняющие операции дифференцирования, интегрирования и т. п.).

Принцип управления по возмущению иногда называют принципом Понселе-Чиколева (по имени французского и русского ученых). Суть его в следующем: для компенсации вредного влияния какого-либо возмущения f необходимо измерить это возмущение и в зависимости от результатов измерения осуществить управляющее воздействие на объект, обеспечивающее изменение управляемой величины по требуемому закону или поддержание ее на заданном уровне.

Рис. 2.1.

Для реализации этого принципа в состав САУ должны входить (рис. 2.1б): чувствительный элемент ЧЭ и исполнительный элемент (ИЭ). Между чувствительным и исполнительным элементами могут быть различные промежуточные элементы ПЭ (усилители, преобразователи и т. д.).

Рис.2.2.

Правильно сконструированный регулятор, работающий по этому принципу, обеспечивает независимость (инвариантность) управляемой величины у от воздействия f_i.

Система регулирования давления воздуха в герметизированном отсеке, реализующая этот принцип, приведена на рис. 2.2. а.

Одним из возмущающих воздействий является изменение давления окружающей среды р _н. Зависимость давления р в отсеке 3 от величины р _н (в установившемся режиме) характеризуется кривой 1 (рис. 2.2б) (все остальные воздействия предполагаются постоянными). Как видно в отсеке без регулятора, требуемое значение давления р° имеет место при единственном значении давления внешней среды . Для измерения возмущающего воздействия р _н служит измеритель давления, состоящий из сильфона 1, внутри которого размещена пружина 2. Сильфон представляет собой тонкостенную герметически запаянную пустотелую металлическую коробку цилиндрической формы с гофрированными стенками, воздух из которой выкачан до технического вакуума. Деформация сильфона в осевом направлении в первом приближении пропорциональна величине давления р _н. Пружина 2 служит для увеличения упругости сильфона. С днищем сильфона 1 жестко связана регулирующая заслонка 4 в выходном трубопроводе (промежуточные и исполнительные элементы в регуляторе отсутствуют). Допустим, что положение, изображенное на рис. 2.2а, соответствует номинальному режиму работы, когда р=р° и все возмущающие воздействия постоянны. При увеличении давления р _н и отсутствии регулятора это привело бы к уменьшению расхода Q ₂ и увеличению давления в отсеке. При наличии регулятора увеличение давления р _н приведет к сжатию сильфона и перемещению регулирующей заслонки 4 вверх. В результате расход на выходе Q ₂ возрастает и давление в отсеке сохранит прежнее значение р°. Однако, если расход воздуха Q ₂ будет изменен другими возмущениями, регулятор не обеспечит стабилизацию давления в отсеке.

Принцип управления по отклонению. Как известно, основная задача любой автоматической системы управления состоит в выполнении равенства g(t)=y(t) с той или иной степенью точности, т. е. при работе САУ возникает ошибка или отклонение e (t)=g(t)—y(t). При идеальной работе САУ e(t)=0 для всех моментов времени. Для ре­альных систем при e(t) ¹ 0 задача может заключаться лишь в уменьшении этой ошибки до допустимого значения.

Суть управления по ошибке состоит в том, что тем или иным путем определяется ошибка САУ и в зависимости от величины и знака этой ошибки осуществляется управляющее воздействие, сводящее ошибку к нулю. Этот принцип был впервые разработан и осуществлен русским механиком И. И. Ползуновым в 1765 г. и английским механиком Дж. Уаттом в 1784 г. В общем случае такие системы должны иметь задающий, чувствительный и сравнивающий элементы (рис. 2.1 в).

Преобразующие элементы регулятора включают в себя устройства для преобразования физической природы сигнала ошибки (модуляторы, демодуляторы и др.) и так называемые корректирующие устройства, осуществляющие функциональные преобразования сигнала ошибки (дифференцирование, интегрирование и др.) и предназначенные для придания системе требуемых свойств.

На рис. 2.2 в показана автоматическая система регулирования давления в герметизированном отсеке, реализующая этот принцип. В этой системе чувствительный элемент 1 (сильфон) помещен в камеру 3, давление внутри которой равно давлению р в отсеке 5. Сильфон кинематически связан с регулирующим органом 4. При установившемся состоянии (Q ₁=Q₂) давление в отсеке p =const и заслонка 4 занимает вполне определенное положение, так как усилие, действующее на сильфон за счет давления газов в камере 3, уравновешено усилием пружины 2. При увеличении давления в отсеке по каким-либо причинам повышается давление и в камере 3. Сильфон, сжимаясь, перемещает заслонку 4 вверх, увеличивая расход Q ₂ на выходе, и давление в отсеке снижается. При уменьшении давления картина повторяется в обратной последовательности. Следовательно, в данной системе чувствительный элемент реагирует только на отклонение давления от установленного значения. В этой системе сравнивающий элемент в явном виде отсутствует. Сигнал ошибки x(t)=р ⁰ - р(t).

Важным преимуществом САУ по ошибке является отсутствие жестких требований к стабильности характеристик элементов регулятора и объекта, существенным недостатком - склонность к колебаниям, что значительно усложняет расчет таких систем. Поэтому сейчас создаются комбинированные системы, использующие оба эти принципа одновременно.