1.1. ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Постараемся уточнить, в чем заключается задача управления. Прежде всего, если речь идет об управлении, то имеется объект управления (управляемый объект), т. е. некий механизм, агрегат или устройство, некий технологический, энергетический или транспортный процесс, желаемое поведение или протекание которого должно быть обеспечено.

Поведение объекта управления, результат его действия определяются некоторыми показателями. Чаще всего ими являются значения каких-то физических величин, которые называют выходными величинами объекта управления. Чем сложнее объект тем большее число показателей характеризует его действие и тем труднее следить за всей их совокупностью. Поэтому к выходным величинам относят лишь наиболее важные для оценки поведения объекта и его практического использования.

В реальных условиях на каждое техническое устройство, на каждый технический процесс многочисленные воздействия оказывает внешняя среда. Все эти воздействия практически невозможно учесть, поэтому в поле зрения оставляют лишь те, которые оказывают наибольшее влияние на выходные величины, и называют их входными воздействиями.

Изменения во времени входных воздействий и выходных величин объекта управления характеризуют его поведение, его действие.

Входные воздействия, с точки зрения их влияния на действие объекта, на его выходные величины, разделяются на две

Рис. 1.1. Схематическое изображение объекта управления

принципиально отличные группы. Некоторые из входных воздействий обеспечивают, как уже отмечалось, желаемое изменение поведения объекта, достижение поставленных целей. Такие входные воздействия называют управляющими, и при их отсутствии задача управления вообще не имеет решения. При ручном управлении такие воздействия на объект осуществляет оператор, при автоматическом — управляющее устройство.

Другие входные воздействия, напротив, мешают достижению цели, и изменить их, как правило, невозможно. Такие воздействия называют возмущающими (возмущениями) или помехами (рис. 1.1).

Задача управления, по существу, заключается в формировании такого закона изменения "управляющих воздействий, при котором достигается желаемое поведение объекта независимо от наличия возмущений.

Сложная и разносторонняя задача управления в подавляющем большинстве случаев включает более узкую задачу регулирования, которую и будем рассматривать в дальнейшем, так как автоматическое регулирование в настоящее время имеет наибольшее практическое значение.

Задача регулирования заключается в поддержании выходных величин объекта равными (или пропорциональными) некоторым эталонным функциям времени — задающим воздействиям. Последние могут быть постоянными или изменяющимися как по заданному, так и по заранее неизвестному закону,

Методы решения задачи регулирования и принципы автоматического регулирования "используются различные. Самый простой принцип, рассчитанный на несложную ситуацию, неявно основывается на предположении, что влияниемвсех возмущений можно пренебречь и воздействовать на объект необходимо лишь в том случае, когда нужно изменить действие объекта, значение регулируемой величины.

Разомкнутая система регулирования (рис. 1.2) действует следующим образом. При изменении задающего воздействия формирующий элемент 3 вырабатывает необходимое «указание» исполнительному механизму 2. Последний создает регулирующее воздействие на объект регулирования 1. В результате регулируемая величина у приближается с той или иной точностью к требуемому значению.

Формирующий элемент и исполнительный механизм составляют регулятор. Регулятор и объект в совокупности образуют систему регулирования.

Рис. 1.2. Функциональная схема разомкнутой системы регулирования

Рис. 1.3. Функциональная схема разомкнутой системы регулирования с измерением основного возмущения

Заметим, что при конструировании регулятора рассмотренной системы необходимо знать все свойства объекта регулирования. Только при выполнении этого условия и отсутствии возмущений можно правильно предвидеть влияние задающего воздействия на регулируемую величину.

Область применения описанной простейшей системы регулирования ограничена прежде всего тем, что нельзя пренебречь влиянием возмущений. При определенном задающем воздействии и различных возмущениях выходная величина объекта (регулируемая величина) будет иметь разные значения и, следовательно, задача регулирования не будет решена. В связи с этим возникает необходимость контроля возмущений или хотя бы основного из них — возмущения Это возмущение нужно измерять и при его изменениях создавать дополнительное воздействие на объект, компенсирующее влияние возмущения. В регуляторе оказывается необходимым еще элемент 4 (рис. 1.3), который через формирующий элемент 3 создает компенсирующее воздействие исполнительного механизма 2 на объект

Рассмотренные системы являются разомкнутыми: в них регулируемая величина у не влияет на действие регулятора. Это означает, что характер регулирующих воздействий зависит от свойств объекта лишь в той степени, в какой это учтено при конструировании регулятора. Из-за изменения свойств объекта (и влияния второстепенных возмущений) действительное значение регулируемой величины может значительно отличаться от требуемого значения. Чтобы подчеркнуть это свойство разомкнутой системы регулирования, иногда говорят, что она устроена по баллистическому принципу. Действительно, регулятор при создании регулирующего воздействия напоминает стрелка, который теряет всякую возможность влияния на результат выстрела после наведения оружия и спуска курка. Разница между двумя системами (см. рис. 1.2 и 1.3) лишь в том, что в последней учитывается влияние возмущения подобно тому, как стрелок делает поправку на ветер.

В подавляющем большинстве случаев отсутствует исчерпывающая и достоверная информация о свойствах объекта регулирования и о характере возмущений, и разомкнутые системы регулирования оказываются неэффективными. Поэтому прибегают к

Рис. 1.4. Функциональная схема замкнутой системы автоматического регулирования

созданию конструктивно более сложных, но и значительно более совершенных замкнутых систем автоматического регулирования.

В замкнутой системе используется принцип обратной связи, возможно самый мощный принцип автоматического регулирования и управления. Такая система в простейшем случае (рис. 1.4) состоит из объекта регулирования 1 и регулятора, который, кроме исполнительного элемента 2 и формирующего (или усилительнопреобразовательного) элемента 5, имеет еще измерительный элемент 4 и элемент сравнения 5.

Измерительный элемент 4 осуществляет обратную связь в системе — обеспечивает влияние регулируемой величины у на вход системы. Сигнал пропорциональный регулируемой величине, сравнивается с задающим воздействием Если регулируемая величина отклонилась от требуемого значения, то изменяется сигнал рассогласования (сигнал ошибки) который воздействует на элемент 5. Затем воздействие передается на исполнительный элемент 2 и на объект. В результате отклонение регулируемой величины от требуемого значения устраняется (с определенной степенью точности).

Таким образом, в замкнутой системе воздействие на объект формируется не только в зависимости от задающего воздействия, как в системе, показанной на рис. 1.2, но и от состояния объекта и наличия возмущений. Точнее, регулирующее воздействие определяется отклонением регулируемой величины от заданного значения. Поэтому принцип обратной связи позволяет успешно решать задачу регулирования, несмотря на некоторую неопределенность (количественную, но, вообще говоря, не любую и тем более не качественную) или неточность в известных конструктору характеристиках объекта регулирования и исполнительного механизма, а также сведениях о возмущениях.

Примером системы автоматического регулирования, выполненной по функциональной схеме рис. 1.4, является достаточно простая, но широко используемая в современной технике система регулирования скорости вращения электродвигателя постоянного тока. Ее принципиальная схема показана на рис. 1.5.

Система состоит из электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением вращающего какой-то рабочий механизм РМ. Двигатель и рабочий механизм составляют объект регулирования. Регулируемой величиной является угловая скорость вала, связывающего электродвигатель и рабочий механизм. Момент сопротивления рабочего механизма является возмущением.

Рис. 1.5. Схема системы автоматического регулирования скорости сращения электродвигателя постоянного тока

Обмотка якоря электродвигателя получает питание от электромашинного усилителя ЭМУ с поперечным возбуждением, две ступени которого являются соответственно усилителем и исполнительным элементом. Обмотки управления электромашинного усилителя включены на выход предварительного электронного усилителя У. На вход усилителя подается напряжение

Здесь напряжение есть задающее воздействие. Это напряжение снимается с потенциометра П — между его средней точкой и движком. Положение движка определяет знак и величину напряжения . Напряжение снимается с тахогенератора связанного с валом электродвигателя. Поэтому знак зависит от направления вращения этого вала, а величина пропорциональна угловой скорости Тахогенератор осуществляет обратную связь в системе.

Сравнение напряжений происходит в электрической цепи, соединяющей потенциометр , вход усилителя У и тахогенератор

Знак и значение напряжения определяют направление вращения вала электродвигателя и значение его угловой скорости . Стабилизация при каждом положении движка потенциометра — при каждом значении задающего воздействия — осуществляется следующим образом. Если в какой-то момент времени увеличился момент сопротивления то угловая скорость уменьшается. Вследствие этого уменьшается напряжение тахогенератора и увеличивается напряжение их — возникает сигнал рассогласования. Возрастает напряжение на выходе усилителя и напряжение, подаваемое на обмотку якоря электродвигателя. В результате увеличиваются сила тока и вращающий момент электродвигателя и угловая скорость восстанавливаются (с некоторой погрешностью).

Подобные процессы регулирования происходят в системе при уменьшении момента сопротивления а также при изменении положения движка потенциометра Я. В последнем случае угловая скорость устанавливается на новом уровне, соответствующем положению движка потенциометра .

Рис. 1.6. Функциональная схема замкнутой системы автоматического регулирования с дополнительной связью: а — по возмущению; б - по задающему воздействию

Можно видеть, что в замкнутой системе автоматического регулирования по отклонению нет необходимости получать информацию непосредственно о задающем воздействии, которое используется лишь для сравнения с сигналом обратной связи, и о возмущениях, однако это допустимо не всегда. В некоторых случаях качество такого регулирования оказывается неприемлемо низким. Тогда обеспечивается комбинированное регулирование, т. е. сочетание принципов замкнутой и разомкнутой систем.

При комбинированном регулировании создается дополнительная связь 6 по возмущению (рис. 1.6, а), которая компенсирует влияние возмущения «в основном», а замкнутый контур устраняет рассогласование, возникающее при изменениях задающего воздействия и вследствие неточности действия дополнительной связи 6, Используются также комбинированные системы с дополнительной связью 7 по задающему воздействию (рис. 1.6, б), которая и обеспечивает «в основном» его воспроизведение регулируемой величиной. Замкнутый контур в этом случае устраняет рассогласование, возникающее из-за неточности действия дополнительной связи 7 и от возмущений.