§ 1.5. ПРИНЦИП РЕГУЛИРОВАНИЯ ПО ВОЗМУЩЕНИЮ

Этот принцип был предложен французским ученым Понселе и впервые реализован на практике во второй половине XIX в. известным русским электротехником В. Н. Чиколевым в разработанных им регуляторах силы света дуговых ламп. Принцип регулирования по возмущающему воздействию часто называется также принципом компенсации возмущений.

Основной причиной, отклоняющей регулируемую величину от требуемого закона ее изменения, являются всякого рода возмущающие воздействия. В связи с этим естественно возникает следующая идея: для компенсации вредного влияния какого-либо возмущения измерить это возмущение и в зависимости от результатов измерения осуществить регулирующее воздействие на объект, обеспечивающее изменение регулируемой величины по требуемому закону. Если, например, возмущающее воздействие вызвало увеличение регулируемой величины, то регулятор должен создать регулирующее воздействие, направленное на уменьшение регулируемой величины. Наоборот, если рассматриваемое возмущение привело к уменьшению регулируемой величины, регулирующее воздействие должно ее увеличить.

Рассмотренная идея и составляет содержание принципа регулирования по возмущению. Для его технической реализации в состав автоматического регулятора, очевидно, должны входить устройства, позволяющие измерять возмущающее воздействие, и устройства, предназначенные для создания регулирующего воздействия на объект регулирования (например — для перемещения регулирующего

органа). Первые будем называть далее чувствительными элементами (ЧЭ), а вторые — исполнительными элементами (ИЭ) регулятора. Между чувствительным и исполнительным элементами могут быть включены промежуточные элементы (ПЭ), предназначенные для усиления выходного сигнала чувствительного элемента по мощности, осуществления необходимых преобразований этого сигнала и т. д. В простейших случаях регулирующее воздействие может создаваться непосредственно чувствительным элементом и тогда исполнительный и промежуточные элементы в составе регулятора отсутствуют.

Общая схема САР, реализующей принцип регулирования по возмущению, показана на рис. 1.3, а (регулирование осуществляется по возмущению Д). Чувствительный, исполнительный и промежуточные элементы (ЧЭ, ИЭ и ПЭ) в совокупности образуют автоматический регулятор АР.

Рис. 1.3. Функциональная схема системы автоматического регулирования, работающей по возмущению

Схема, показанная на рис. 1.3, а, представляет собой пример так называемой функциональной схемы САР, показывающей, из каких элементов состоит система регулирования и как эти элементы соединены между собой. При этом под элементом подразумевается конструктивно обособленная часть САР, выполняющая определенные самостоятельные функции. На функциональных схемах элементы изображаются в виде прямоугольников, а их входные и выходные величины — в виде прямых линий со стрелками, указывающими направление передачи воздействий. Функциональные схемы автоматических систем широко используются в теории регулирования и управления наряду с принципиальными и конструктивными схемами, отличаясь от последних значительно большей общностью.

На рис. 1.3, б показана зависимость регулируемой величины у от возмущения в установившемся режиме при отсутствии остальных возмущающих воздействий (через обозначено требуемое значение регулируемой величины). Как видно, правильно сконструированный регулятор обеспечивает независимость (инвариантность) регулируемой величины от возмущающего воздействия

Пример 1.4. Исторически одним из первых (и немногих) примеров широкого применения рассматриваемого принципа регулирования в технике явились генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением, снабженные компаундной (последовательной) обмоткой возбуждения (рис. 1.4, а). В генераторах с независимым возбуждением при увеличении тока нагрузки напряжение «а зажимах генератора уменьшается (кривая 1 на рис. 1.4, б). Поэтому

требуемое значение напряжения генератора может быть достигнуто в генераторе без регулятора только при единственном значении тока нагрузки

В генераторах смешанного возбуждения компаундная обмотка играет роль простейшего регулятора, работающего по возмущению. Эта обмотка включается таким образом, чтобы создаваемый ею магнитный поток совпадал по направлению с постоянным магнитным потоком обмотки независимого возбуждения Поток, создаваемый обмоткой зависит от тока нагрузки генератора . В результате общий поток возбуждения машины при увеличении тока нагрузки увеличивается, а при уменьшении — уменьшается.

Рис. 1.4. Схема компаундирования генератора постоянного тока

Так как напряжение на зажимах генератора при постоянной скорости вращения якоря пропорционально общему потоку возбуждения машины, то при правильном выборе числа витков, диаметра провода и сопротивления обмотки в рассматриваемой схеме удается обеспечить инвариантность напряжения и от тока нагрузки (кривая 2 на рис. 1.4, б). Обе кривые, приведенные на рис. 1.4, б, относятся к установившемуся режиму работы генератора, который возникает после затухания переходных процессов. Зависимость выходной величины какого-либо элемента автоматики от входной для установившегося режима работы обычно называется статической характеристикой этого элемента. Поэтому кривые 1 и 2 на рис. 1.4, б представляют собой статические характеристики электрических генераторов с независимым и смешанным возбуждением.

В рассмотренном примере компаундная обмотка выполняет функцию чувствительного элемента регулятора, реагирующего на изменения возмущения Исполнительный и промежуточный элементы отсутствуют. Регулирующим воздействием является поток возбуждения, создаваемый обмоткой Рассмотренный простейший регулятор обеспечивает инвариантность напряжения и только по отношению к току нагрузки На все остальные возмущения (изменения скорости вращения якоря генератора, внешних условий и т. д.) он не реагирует. Вредное влияние этих возмущений на регулируемую величину никак не компенсируется.

Пример 1.5. На рис. 1.5, а, показано, как можно реализовать указанный принцип применительно к задаче регулирования давления воздуха внутри герметизированного отсека.

Одним из основных возмущений для герметизированного отсека является изменение давления окружающей среды Зависимость давления в отсеке Р от величины (в установившемся режиме) характеризуется кривой 1 на рис. 1.5, б (все остальные возмущающие воздействия предполагаются постоянными). Из рисунка следует, что в отсеке без регулятора требуемое значение давления имеет место при единственном значении давления внешней среды При давление в отсеке будет отличаться от требуемого значения Регулятор, схема которого показана на рис. 1.5, а, позволяет обеспечить независимость регулируемой величины Р от давления Для измерения возмущающего воздействия в нем использован измеритель давления, состоящий из сильфона 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 Пружина 2 служит для увеличения упругости сильфона. С днищем сильфона жестко связана рейдирующая заслонка в выходном трубопроводе (промежуточные и исполнительный элементы в регуляторе отсутствуют).

Рассмотрим кратко работу САР. Пусть изображенное на рис. 1.5, а положение сильфона соответствует номинальному режиму работы отсека, когда все возмущающие воздействия постоянны. Предположим, что давление возросло. При отсутствии регулятора это привело бы к уменьшению расхода воздуха на выпуске и увеличению давления в отсеке. При наличии регулятора увеличение давления приведет к сжатию сильфона и перемещению регулирующей заслонки вверх. В результате расход возрастет и давление в отсеке сохранит прежнее значение (если регулятор правильно рассчитан). При снижении давления сильфон расширяется и регулирующая заслонка перемещается вниз, уменьшай расход воздуха на выпуске Зависимость давления в отсеке Р от величины

Рис. 1.5. Простейший регулятор давления, работающий по возмущению

Для объекта, снабженного регулятором, характеризуется кривой 2 на рис. Рассмотренный регулятор обеспечивает инвариантность давления Р только по отношению к давлению окружающей среды На другие возмущающие воздействия этот регулятор никак не реагирует.

Приведенные простейшие примеры позволяют заметить основные недостатки САР, работающих по возмущению.

1. В САР, работающих по возмущению, инвариантность регулируемой величины обеспечивается лишь по отношению к тому возмущающему воздействию, которое измеряется чувствительным элементом регулятора (Д на рис 1.3, а). В качестве этого возмущения всегда выбирается одно из основных возмущений. Наличие большого числа других, не контролируемых регулятором, возмущающих воздействий на рис. 1.3, а) приводит обычно к тому, что регулируемая величина значительно отличается от требуемого закона ее изменения, т. е. задача регулирования (1.1) не выполняется. Попытка создания отдельного регулятора по каждому возмущающему воздействию приводит к резкому усложнению САР. Кроме того, далеко не каждое возмущающее воздействие может быть измерено.

2. Инвариантность по отношению к возмущению, измеряемому чувствительным элементом регулятора, в рассматриваемых САР обеспечивается только при условии строгого соответствия параметров регулятора и объекта их расчетным значениям. Изменение параметров регулятора или объекта (вследствие старения, влияния внешних условий и т. д.) приводит в таких системах к отклонению регулируемой величины от требуемого значения. Например, если в системе, показанной на рис. 1.4, а, увеличится сопротивление обмотки

возбуждения ОВ (вследствие увеличения температуры окружающей среды или по иным причинам), то при неизменном напряжении сети это приведет к уменьшению тока возбуждения В результате общий поток возбуждения машины уменьшится и регулятор будет поддерживать на зажимах генератора напряжение, меньшее требуемого значения

Оба отмеченных недостатка САР, работающих по возмущению, обусловлены тем обстоятельством, что в таких системах истинное значение регулируемой величины у никак не измеряется и не контролируется (это наглядно видно на рис. 1.3, а). Регулирующее воздействие от регулируемой величины у не зависит. Система, как говорят, имеет разомкнутый цикл передачи воздействий (от возмущения — к регулируемой величине), т. е. работает по разомкнутому циклу.

Рис. 1.6. Функциональная схема автоматической системы, работающей по разомкнутому циклу

Итак, техническая реализация принципа компенсации возмущений приводит к системам, работающим по разомкнутому циклу. Из-за отмеченных выше весьма серьезных недостатков системы, работающие по разомкнутому циклу (разомкнутые системы), для решения задач автоматического регулирования в настоящее время самостоятельно почти не применяются. Обычно они используются только в качестве составной части более сложных, так называемых комбинированных, САР.

Несомненным достоинством разомкнутых систем является их простота. Поэтому такие системы широко применяются для решения задач автоматизации, более простых, нежели автоматическое регулирование (автоматическая сигнализация, контроль, блокировка и защита, пуск и остановка и т. д.). В частности, к автоматическим системам, работающим по разомкнутому циклу, относятся широко распространенные в технике всякого рода пневмо- и гидроэлектроклапаны, которые по получении определенного электрического сигнала открывают или закрывают проход топлива, воздуха или парогаза к тем или иным агрегатам. По разомкнутому циклу работают автоматические станочные линии, все торговые автоматы и многие другие устройства. Общая схема автоматической системы, работающей по разомкнутому циклу, показана на рис. 1.6, где источником воздействия может быть изменение внешних условий, человек или автоматическое устройство.