Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1. Принципы действия систем автоматического регулирования.

2. Основные устройства систем автоматического регулирования.

3. Виды управляющих и возмущающих воздействий.

4. Статические и астатические системы автоматического регулирования.

Современная промышленность и сельское хозяйство характеризуются непрерывным увеличением производительности машин и агрегатов, повышением качества выпускаемой продукции и снижением ее стоимости. Большие скорости протекания производственных процессов и повышение требований к точности их выдерживания привели к широкому применению систем автоматического регулирования. Система автоматического регулирования должна обеспечивать поддержание на определенном уровне или изменение по заданному закону некоторых переменных характеристик (регулируемых величин) в машинах и агрегатах без участия человека с помощью различного рода технических средств.

Преобразование входного сигнала системы (управляющего воздействия) в выходной сигнал (регулируемую величину) определяет закон изменения регулируемой величины. Реализация желаемого закона осуществляется в результате формирования управляющих переменных, которые воздействуют на регулируемую систему. Законы изменения регулируемой величины во времени могут быть различными; математически они описываются оператором системы. Этот оператор может реализовать пропорциональную зависимость выходного сигнала от входного, связь в виде производной или интеграла и т. д. В более общем случае этот оператор может быть и нелинейным.

Необходимо отметить, что законы изменения регулируемых величин в машинах и агрегатах нарушаются под влиянием внешних, а иногда и внутренних воздействий, называемых возмущениями (или возмущающими воздействиями). Из определения этих воздействий видно, что система автоматического регулирования должна как можно точнее воспроизводить управляющее воздействие и возможно меньше реагировать на возмущающее воздействие.

Существует три различных принципа построения систем регулирования, обеспечивающих реализацию требуемого закона изменения регулируемой величины: по разомкнутому циклу, по замкнутому циклу, по комбинированному циклу регулирования (замкнуто-разомкнутый). Принцип разомкнутого цикла заключается в обеспечении требуемого закона изменения регулируемой величины непосредственно путем преобразования управляющего воздействия. Принцип замкнутого цикла характеризуется сравнением управляющего воздействия с действительным изменением регулируемой величины за счет применения обратной связи и элемента сравнения. Образующийся в результате сравнения сигнал ошибки не должен превышать некоторой заданной величины. За счет этого и обеспечивается в замкнутых системах требуемый закон изменения регулируемой величины. Комбинированный принцип заключается в сочетании замкнутого и разомкнутого циклов в одной системе.

1. ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Рассмотрим три принципа действия систем регулирования на конкретных примерах (рис. 1.1). Все три системы предназначены для дистанционной передачи заданного сигнала. В системе разомкнутого цикла (рис. 1.1, а) при перемещении движка 1 потенциометра на величину на входе электронного усилителя 2 образуется напряжение Усиленное напряжение и

Рис. 1.1. Упрощенные принципиальные схемы систем автоматического регулирования, работающие по принципу: а — разомкнутого цикла; б - замкнутого цикла; в — комбинированного цикла

вызывает в обмотке возбуждения 3 генератора ток Генератор 4, приводимый во вращение электродвигателем 5, увеличивает ток до значения Напряжение генератора и поступает на обмотку соленоида якорь которого перемещается вверх, до тех пор, пока электромагнитная сила не уравновесится силой пружины. Щетка потенциометра 7 переместится на величину которая может быть измерена по линейке 8 или определена по напряжению снимаемому с выходного потенциометра, с помощью тарировочного графика .

Из приведенного описания следует, что точность системы разомкнутого цикла определяется стабильностью ее элементов и требует тщательной градуировки Будем считать, что данная система обеспечивает прямую пропорциональность между выходным и входным сигналами:

где — коэффициенты усиления соответственно потенциометра, усилителя, генератора и соленоида.

Примем, что , тогда

Допустим, что в процессе эксплуатации коэффициент усиления электронного усилителя уменьшится на 10% и составит 900; тогда выражение (1.2) примет вид

Из полученного выражения видно, что статическая точность задания перемещения системой также уменьшилась на 10%. Следовательно, система регулирования, работающая по разомкнутому циклу, имеет невысокую точность.

Рассмотрим систему замкнутого цикла (рис. 1.1, б), в которой сигнал с выходного потенциометра 7 поступает на вход электронного усилителя 2, где образуется разность напряжений

Пользуясь выражениями (1.1) и (1.4), найдем

Рис. 1.2. Определение динамической ошибки систем автоматического регулирования: а — замкнутого цикла; б — комбинированного цикла

где — коэффициент усиления потенциометра обратной связи 7. Приняв при получим

Если то при тех же параметрах и найдем

Из сравнения выражений (1.6) и (1.7) следует, что изменение коэффициента усиления электронного усилителя на 10% в системе, работающей по замкнутому циклу, приводит к статической ошибке в перемещении равной 1%.

Системы с замкнутым циклом менее чувствительны к изменениям параметров устройств управления и не требуют точной градуировки. Динамическая ошибка замкнутой системы регулирования при подаче на ее вход синусоидального сигнала определяется разностью

На рис. 1.2, а показано графическое определение динамической ошибки системы при подаче синусоидального сигнала. Как видно из рис. 1.2, а, динамическая ошибка в системе с замкнутым циклом может достигать значительной величины. Для уменьшения динамической ошибки применяют системы автоматического регулирования, работающие по комбинированному циклу (см. рис. 1.1, в). Редуктор 9 и тахогенератор 10 образуют разомкнутый цикл системы, а остальные ее устройства представляют собой замкнутый цикл. Тахогенератор 10 с корректирующей цепочкой компенсирует фазовое запаздывание выходного сигнала При этом сигналы имеют примерно равные значения амплитуд, а следовательно, ошибка мала (рис. 1.2, б). В системе, представленной на рис. 1.1, в, компенсация влияния управляющего воздействия осуществлена по принципу разомкнутого цикла. Далее будет показано, что влияние возмущающего воздействия можно компенсировать также путем использования участка системы, построенного по принципу разомкнутого цикла (см. гл. XIII).

В заключение дадим следующее определение. Под системой автоматического регулирования понимают динамическую систему, в которой управление источниками энергии осуществляется с помощью сигнала разности между управляющим воздействием и действительным изменением регулируемой переменной [72].