Понятие об автоматическом регулировании

Автоматическим регулированием называется поддержание постоянного значения какой-либо физической величины или изменение этой величины по некоторому закону при помощи автоматически действующих устройств при любых возмущающих воздействиях.

Поддержание постоянства некоторой физической величины (скорости движения, тока двигателей, температуры, давления, скорости вращения и т. д.) является основной задачей автоматического регулирования. В этом случае система автоматического регулирования называется системой автоматической стабилизации. Однако в ряде случаев к системе автоматического регулирования предъявляется требование изменять физическую величину по какому-либо заранее известному закону. Это называется программным регулированием.

Например, по определённой программе может осуществляться изменение режима работы двигателя при его пуске, изменение напряжения на двигателе при движении по переменному профилю, изменение температуры изделия при его термической обработке и т. д.

Наконец, в ряде случаев заранее не является известным тот закон, по которому должна изменяться регулируемая величина. Так, например, возникновение боксования колесных пар или аварийные режимы работы преобразователя не могут быть заранее вычислены или определены, так как они обусловливаются внешними факторами, не поддающимися контролю. Такие системы автоматического регулирования называются следящими системами.

В последнее время большое значение приобретает так называемое экстремальное регулирование, обеспечивающее автоматическое поддержание в каком-либо объекте выгоднейшего эксплуатационного режима. Так, например, система экстремального регулирования может обеспечить поддержание для электровоза режима минимального расхода электроэнергии при различных внешних факторах, действующих на объект.

Получили развитие также самонастраивающиеся системы, у которых параметры не остаются неизменными, а преобразуются при изменении внешних условий, и самоорганизующиеся системы, у которых совокупность правил и логических действий, определяющих работу этих систем, не остаётся неизменной, а преобразуется при изменении внешних условий.

В дальнейшем изложении будем пользоваться следующими терминами.

Регулируемый объект – агрегат, в котором осуществляется автоматическое регулирование (например двигатель, генератор, электровоз).

Автоматический регулятор или просто регулятор – устройство, выполняющее задачу автоматического регулирования в данном объекте (например регулятор скорости, регулятор напряжения или тока).

Система автоматического регулирования (САР) – совокупность регулируемого объекта и регулятора.

Регулируемая величина – физическая величина, которая подлежит автоматическому регулированию.

Возмущающее воздействие – всякое внешнее воздействие на регулируемый объект, которое стремится вызвать отклонение регулируемой величины от заданного значения.

Регулирующее воздействие – воздействие, оказываемое регулятором на регулируемый объект с целью обеспечения протекания в нем желаемого процесса так, чтобы регулируемая величина равнялась заданному значению.

Управляющеевоздействие – некоторая функция времени, определяющая заданное значение регулируемой величины. В более сложных случаях регулируемая величина связана с управляющим воздействием некоторой функциональной зависимостью. Однако при дальнейшем изложении будем под управляющим воздействием понимать именно заданное значение регулируемой величины. Очевидно, что в случае автоматической стабилизации управляющее воздействие представляет собой постоянную величину, в системах программного управления – известную функцию времени и в следящих системах – неизвестную функцию времени.

В результате изменения управляющего или возмущающего воздействия в системе автоматического регулирования наблюдается переходный процесс, заключающийся в переходе от одного установившегося состояния к другому. Установившееся значение разности между начальным и конечным значениями регулируемой величины при постоянном значении управляющего или возмущающего воздействия называется статическим отклонением. Установившееся значение разности между заданным и конечным значениями регулируемой величины при тех же условиях называется статической ошибкой.

Системы, у которых статическая ошибка отлична от нуля, называются статическими. Системы с нулевой статической ошибкой называются астатическими. Понятие статической и астатической систем регулирования должно быть связано с видом воздействия. Можно судить о статизме или астатизме относительно управляющего или возмущающего воздействий. Эти свойства могут совпадать и не совпадать в одной и той же системе.

Разность между начальным и текущим значениями регулируемой величины в переходном процессе называется динамическим отклонением. Разность между заданным и текущим значениями регулируемой величины называется динамической ошибкой.

Параметры системы автоматического регулирования являются величинами, определяющими свойства отдельных ее элементов (например масса, момент инерции, индуктивность, электрическое сопротивление, коэффициент трения, коэффициент усиления, передаточное отношение и т. п.).

Параметры могут быть постоянными и переменными. В том случае, когда параметры постоянные, система называется линейной системой с постоянными параметрами или просто линейной системой. Ни в какой реальной системе параметры никогда не являются строго постоянными, но часто их можно считать таковыми с большей или меньшей степенью точности.

Если некоторые из параметров представляют собой функции времени, то система называется линейной системойс переменными параметрами. Так, например, при движении по сложному профилю пути в электровозе активно расходуется песок (или топливо в тепловозе) изменяется общая масса локомотива, а следовательно и условия реализации максимальной силы тяги.

Часто параметры системы являются функциями не времени, а самих переменных, описывающих поведение системы (обобщённых координат или их производных). Так, например, сопротивление обмоток тягового двигателя (ТЭД) является сложной функцией намагничивающего тока, температуры и т. д.

Если хотя бы один параметр системы не сохраняет постоянного значения, а изменяется при изменении переменных, описывающих поведение системы, то такая система относится к нелинейным системам, хотя понятие нелинейных систем является более широким.

Важным свойством линейной системы является то, что при действии на неё одновременно нескольких внешних воздействий их совместный эффект равен сумме эффектов, вызываемых каждым из внешних воздействий в отдельности. Этот принцип сложения отдельных эффектов, называемых различными внешними воздействиями, называется принципом суперпозиции.

 

1.3. Разомкнутые и замкнутые системы автоматического
регулирования

Автоматическое регулирование может осуществляться по принципу разомкнутого и замкнутого циклов. В первом случае (рис. 1.1) управляющее воздействие Y поступает непосредственно или через некоторый промежуточный элемент ПЭ на исполнительный элемент ИЭ, воздействующий в свою очередь на регулируемый объект РО (или объект регулирования ОР в других источниках) с целью обеспечения заданного значения регулируемой величины X. Это воздействие выражается в приложении к регулируемому объекту регулирующего воздействия .

Рис. 1.1. Регулирование по разомкнутому циклу

 

Для устранения влияния возмущающего воздействия F1 в системе может быть предусмотрено введение дополнительного регулирующего воздействия, это показано на рис. 1.1 пунктиром. Тогда регулирующее воздействие будет определяться зависимостью

. (1.1)

Функции f и f1 могут включать в себя операции дифференцирования и интегрирования по времени.

Крупным недостатком систем, работающих по разомкнутому циклу, является необходимость осуществления подобных функциональных связей для всех возмущающих воздействий, число которых может быть велико, что делает систему громоздкой.

Кроме того, для нормального функционирования этих систем необходимо тщательное масштабирование или градуировка всех элементов, осуществляющих функциональные связи. В системах разомкнутого цикла никак не измеряется и не контролируется истинное значение регулируемой величины. Вследствие этого при нарушении градуировки отдельных элементов из-за износа или воздействия внешних факторов, например температуры, регулируемая величина может сильно отличаться от ее заданного значения.

При регулировании по замкнутому циклу (рис. 1.2) производится измерение разности между требуемым и действительным значениями регулируемой величины, то есть разности между управляющим воздействием (входным сигналом) и регулируемой величиной

. (1.2)

Эту разность будем называть ошибкой системы регулирования или отклонением от заданного значения.

Для выполнения ошибки служит так называемый чувствительный элемент ЧЭ (или элемент сравнения ЭС в другой литературе) (рис. 1.2). Далее эта ошибка поступает через промежуточный элемент ПЭ к исполнительному элементу ИЭ, который прикладывает к объекту регулирующее воздействие, определяемое некоторой функциональной зависимостью

, (1.3)

которая также может включать в себя операции дифференцирования и интегрирования по времени.

Рис. 1.2. Регулирование по замкнутому циклу

 

На схеме, изображённой на рис. 1.2, нетрудно проследить наличие зам­кнутого контура регулирования, образуемого цепью ЧЭ–ПЭ–ИЭ–РО–ЧЭ. Можно также заметить, что сигналы проходят в этом контуре только в одном направлении, отмеченном стрелками. Замыкание контура осуществляется цепью воздействия регулируемого объекта на чувствительный элемент. Эта цепь называется главной обратной связью системы. Таким образом, система регулирования по замкнутому циклу представляет собой систему с обратной связью. Система регулирования по разомкнутому циклу такой обратной связи не содержит.

Принцип регулирования, основанный на измерении ошибки или отклонения регулируемой величины, называется также принципом Ползунова – Уатта. В данном пособии будут рассматриваться в основном системы регулирования по замкнутому циклу.

Существенной особенностью системы регулирования по ошибке является её универсальность. Независимо от причины всякое появление ошибки, то есть отклонение регулируемой величины от заданного значения, вызывает появление регулирующего воздействия, определяемого выражением (1.3). Это значит, что система будет осуществлять автоматическое воздействие на объект как при изменении управляющего воздействия, так и при любом возмущающем воздействии.

Важным обстоятельством является также то, что при регулировании по замкнутому циклу жесткие требования по стабильности характеристик предъявляются только к чувствительному элементу. Промежуточный и исполнительный элементы могут иметь характеристики, изменяющиеся в сравнительно широких пределах. Это объясняется тем, что рассматриваемой системе важно точно выявить наличие ошибки. Если ошибка имеется, то исполнительный элемент будет прикладывать к объекту такое регулирующее воздействие, которое будет стремиться свести ошибку к нулю.

В простейших случаях назначение промежуточного элемента заключается в передаче выявленной ошибки от чувствительного элемента к исполнительному. Такие системы называются системами прямого регулирования.

Стремление повысить точность регулирования, а также малая выходная мощность чувствительного элемента заставляют применять в промежуточном элементе усилители. В этом случае достаточно большие значения регулирующего воздействия будут создаваться уже при малых ошибках. Такие системы называются системами не прямого регулирования.

Промежуточный элемент может содержать также корректирующие элементы, назначением которых является улучшение динамических свойств системы регулирования.

Недостатком системы автоматического регулирования по замкнутому циклу является принципиальная необходимость существования ошибки в установившемся или переходных режимах, так как причиной создания регулирующего воздействия является именно ошибка (1.3). Поэтому для повышения точности иногда применяют системы комбинированного регулирования, в которых сочетается регулирование по замкнутому и разомкнутому циклам. Регулирование по разомкнутому циклу осуществляется для управляющего воздействия или главного возмущающего воздействия. Таким образом, в системах комбинированного регулированияосуществляется одновременное регулирование по отклонению и управляющему воздействию или по отклонению и возмущающему воздействию.