§ 1.4. ПОНЯТИЕ ОБ АВТОМАТИЧЕСКОМ РЕГУЛИРОВАНИИ

Автоматическим регулированием называется изменение какой-либо физической величины по требуемому закону без непосредственного участия человека. Физическая величина, подлежащая регулированию, называется обычно регулируемой величиной, а технический агрегат, в котором осуществляется автоматическое регулирование,— регулируемым объектом.

Автоматическое регулирование является частным случаем автоматического управления. Управляемым процессом в этом случае является процесс изменения регулируемой величины во времени (или в функции какой-либо другой величины). Цель управления заключается в обеспечении требуемого закона изменения регулируемой величины. Этот закон может быть различным. Во многих технических

задачах требуется, например, поддерживать регулируемую величину на заданном постоянном уровне. В более сложных случаях требуется изменять регулируемую величину во времени (или в функции какой-либо другой величины) по наперед заданному закону. Наконец, часто требуемый закон изменения регулируемой величины может быть заранее неизвестен (представляет собой случайную функцию времени).

Обозначим через функцию, описывающую изменение во времени регулируемой величины, и пусть — функция, характеризующая требуемый закон ее изменения. Тогда основная задача автоматического регулирования сводится к обеспечению равенства

во все моменты времени работы системы с заданной степенью точности. Функция в дальнейшем будет называться задающим воздействием.

Рис. 1.1. Общая схема объекта регулирования

В реальных объектах регулирования всегда существуют причины, отклоняющие регулируемую величину от требуемого закона изменения. Эти причины называются возмущающими воздействиями (возмущениями) и обозначаются Среди всех возмущающих воздействий обычно можно выделить одно или несколько, наиболее сильно влияющих на регулируемую вели чину. Такие возмущающие воздействия называются основными, а все остальные — второстепенными. Для борьбы с возмущениями объект регулирования обычно снабжается регулирующим органом воздействуя на который (вручную или автоматически) можно изменять регулируемую величину, компенсируя нежелательные ее изменения, обусловленные влиянием возмущений. Воздействие на регулирующий орган называется регулирующим воздействием и далее обозначается буквой Все сказанное позволяет изобразить общую схему любого объекта регулирования в виде, показанном на рис. 1.1. На этом рисунке условно показаны три возмущения, действующие на объект регулирования. В общем случае число возмущений может быть любым.

Некоторые примеры конкретных объектов регулирования различной физической природы приведены на рис. 1.2.

Пример 1.1. На рис. 1.2, а изображен резервуар, питающийся сжатым воздухом от компрессора и снабженный выпускным трубопроводом, через который давление внутри резервуара дросселируется в окружающую среду. Таким резервуаром может быть, например, герметизированный отсек летательных аппаратов (околоземных и космических), предназначенный для размещения приборов или живых существ. Часто возникает необходимость в том, чтобы давление Р внутри отсека поддерживалось на заданном неизменном уровне . В этом случае давление является регулируемой величиной. Требуемый закон изменения регулируемой величины Можно указать несколько причин (возмущающих воздействий), приводящих к отклонению давления Р от заданного значения Прежде всего к ним относятся изменения

производительности компрессора (например, вследствие изменения скорости вращения его приводного двигателя) и режима работы других потребителей сжатого воздуха в пневмосистеме, питаемой от компрессора. Оба эти возмущения приводят к изменению весового расхода воздуха на входе в отсек а следовательно, и давления внутри отсека. В том случае, когда герметизированный отсек размещен летательном аппарате, при изменении высоты полета изменяется давление окружающей (наружной) среды что ведет к изменению весового расхода воздуха на выпуске , как следствие, — к изменению давления внутри отсека Рассмотренные причины являются основными возмущающими воздействиями. К второстепенным возмущениям могут быть отнесены изменения параметров сжатого воздуха, температуры окружающей среды, интенсивности газообмена живых существ, размещенных в отсеке, и т.д.

Для борьбы с вредным влиянием возмущающих воздействий герметизированный отсек должен быть снабжен регулирующим органом. На рис. 1.2, а им является заслонка (или вентиль) в выходном трубопроводе.

Перемещая эту заслонку (вручную или автоматически), можно изменять давление в отсеке, компенсируя нежелательные отклонения давления Р от заданного значения обусловленные влиянием перечисленных выше возмущений. Перемещение заслонки является регулирующим воздействием. Если, например, по каким-либо причинам давление в отсеке Р стало больше значения заслонку следует переместить вверх; при уменьшении давления в отсеке ниже значения заслонка должна перемещаться вниз.

Рис. 1.2. Примеры объектов регулирования. а — герметизированный отсек; б — тепловой двигатель (ТД); в — электрический генератор постоянного тока

Пример 1.2. В тепловом двигателе ТД (дизельном, карбюраторном, турбореактивном), схематически изображенном на рис. 1.2, б, регулируемой величиной является скорость вращения выходного вала В большинстве случаев требуется, чтобы она была постоянна и равна заданному значение Основными возмущениями здесь являются изменения момента нагрузки М на валу двигателя и производительности топливного насоса, подающего топливо в камеры сгорания двигателя. К второстепенным возмущениям могут быть отнесены изменения параметров внешней среды, параметров топлива, условий смазки двигателя и т. д. Регулирующим органом в этом примере может служить заслонка, размещенная в магистрали слива. Перемещение этой заслонки является регулирующим воздействием. При перемещении заслонки вверх скорбсть двигателя уменьшается, при перемещении вниз — увеличивается.

Пример 1.3 На рис. изображена схема электрического генератора постоянного тока с независимым возбуждением. Обмотка возбуждения генератора подключена к сети постоянного тока с неизменным напряжением . Якорь генератора вращается с угловой скоростью от какого-либо приводного двигателя (на рисунке не показан). Регулируемой величиной является напряжение на зажимах генератора и. Для нормальной работы большинства потребителей электроэнергии требуется, чтобы это напряжение было постоянным и равнялось заданной величине Основными возмущениями, отклоняющими напряжение и значения являются изменения скорости вращения приводного двигателя и тока нагрузки генератора (вследствие подключения или отключения каких-либо потребителей электроэнергии, т. е. изменения сопротивления нагрузки генератора ). К второстепенным возмущениям могут быть отнесены изменения

температуры, влажности и давления окружающей среды, сопротивления щеточно-коллекторного узла (вследствие износа щеток, загрязнения коллектора и т. д.); напряжения, приложенного к обмотке возбуждения, и т. д. Регулирующим органом в данном примере служит реостат в цепи обмотки возбуждения генератора. Перемещение движка этого реостата является регулирующим воздействием. При перемещении движка вверх напряжение на зажимах генератора увеличивается, при перемещении вниз — уменьшается.

Нетрудно убедиться в том, что все рассмотренные примеры объектов регулирования представляют собой частный случай схемы, показанной на рис. 1.1. В каждом конкретном случае меняется только физическая природа регулируемой величины у, регулирующего воздействия и и возмущающих воздействий

Устройство, автоматически решающее задачу регулирования в данном объекте, называется автоматическим регулятором. Объект регулирования и автоматический регулятор в совокупности образуют систему автоматического регулирования (САР).

Любой регулятор предназначен для создания регулирующего воздействия на объект регулирования, обеспечивающего (с той или иной степенью точности) изменение регулируемой величины по требуемому закону Несмотря на громадное разнообразие используемых в современной технике регуляторов, все они строятся на базе одного из двух основных принципов регулирования: по возмущению (по внешнему воздействию) и по отклонению (по ошибке).