Глава II. ВИДЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛТРОВАНИЯ

1. Классификация систем автоматического регулирования. 2. Непрерывные системы автоматического регулирования. 3. Дискретные системы автоматического регулирования. 4. Дискретно-непрерывные системы автоматического регулирования. 5. Экстремальные и самонастраивающиеся системы автоматического регулирования.

6. Применение ЦВМ в системах автоматического регулирования.

7. Применение систем автоматического регулирования для управления сложными производственными процессами. Системы комплесной автоматизации производства.

В настоящее время существует большое число различных по своему назначению систем автоматического регулирования. Одни из них поддерживают заданную температуру, давление, расход жидкости или газов в объектах регулирования, другие изменяют эти параметры по различным законам. Автоматические системы обеспечивают также регулирование концентрации жидкостей или газов, натяжение проволоки или ткани при их намотке на барабаны. С помощью систем регулирования режется металл на заданные длины, фрезеруются детали сложной формы, очищаются газы и жидкости от вредных примесей и т. д.

Автоматические системы применяют и для управления скоростью вращения гидравлических и паровых турбин, дизелей, регулирования напряжения на электростанциях. Их используют также для регулирования мощности в ядерных энергетических реакторах, удержания электронного пучка в линейных ускорителях, регулирования тока в физических установках.

Системы автоматического регулирования управляют движением самолетов и ракет, обеспечивают ориентацию и угловую стабилизацию космических летательных аппаратов. С помощью систем автоматического регулирования был взят грунт с Луны и Марса.

Такое большое разнообразие систем автоматического регулирования у требует научно обоснованной их классификации.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Системы автоматического регулирования можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, характеру сигналов, математическому описанию, виду используемой энергии и т. д. Рассмотрим сначала классификацию систем по принципу их действия.

Все многообразие систем автоматического регулирования (САР) можно подразделить на четыре класса (рис. II.1): системы, работающие по разомкнутому, замкнутому, комбинированному циклам, и самонастраивающиеся системы. Для нормального функционирования самонастраивающихся систем не требуется полных знаний о характере процесса регулирования, так как в процессе работы эти системы приспосабливаются к изменяющимся внешним условиям.

Каждый класс систем регулирования разделяется на группы (рис. II. 1). Системы автоматического регулирования, работающие по замкнутому циклу, делятся на системы автоматической стабилизации, системы программного регулирования и следящие системы.

В системах автоматической стабилизации управляющие воздействия являются постоянными, заранее заданными величинами. Системы программного регулирования отличаются от систем стабилизации тем, что в них управляющие воздействия являются известными функциями времени. В следящих системах управляющие воздействия представляют собой функции времени, заранее неизвестные.

Рис. II.1. Классификация систем автоматического регулирования

Следящие системы с управлением по положению обычно являются астатическими относительно управляющих воздействий и статическими по возмущениям. Системы автоматической стабилизации со статическими регуляторами как по управляющим, так и по возмущающим воздействиям являются статическими. Следящие системы с управлением по скорости также относятся к статическим независимо от места приложения воздействия.

Системы автоматического регулирования, работающие по разомкнутому циклу, делятся на системы компенсации. и разомкнутые системы программного регулирования. Системы компенсации уменьшают влияние возмущающих воздействий на регулируемые переменные путем изменения самих воздействий или компенсации их действия на системы [11].

Поясним принцип работы систем компенсации с помощью рис. II.2. На рисунке дана упрощенная принципиальная схема разомкнутой системы регулирования, предназначенной для измерения угловой скорости вращения электродвигателя 4. Потенциометр 1 служит для установки требуемой скорости вращения. В качестве усилительных устройств в системе применены электронный усилитель 2 и генератор 3. Тахогенератор 5 является измерительным устройством, а вольтметр 6 проградуирован в единицах измерения угловой скорости.

При действии на вал электродвигателя 4 момента нагрузки уменьшается скорость его вращения со и нарушается соответствие между положением движка потенциометра и угловой скоростью вращения тахогенератора.

Рис. II.2. Упрощенная принципиальная схема разомкнутой системы компенсации

При этом значительно снижается точность работы системы регулирования. Для повышения ее точности необходимо компенсировать уменьшение числа оборотов электродвигателя. С этой целью в схему введен резистор 7, с которого снимается напряжение и подается на вход электронного усилителя. Образующаяся цепь создает положительную обратную связь в системе. При этом с ростом момента нагрузки увеличивается напряжение Ди, возрастает напряжение генератора, а следовательно, повышается угловая скорость вращения электродвигателя.

В последнее время весьма широкое применение получили разомкнутые системы программного регулирования. К ним прежде всего относятся металлорежущие станки с числовым программным управлением. Программа управления, записанная на магнитных запоминающих устройствах в цифровом коде, поступает на исполнительные устройства станков, обеспечивая заданную последовательность выполнения операций обработки.

Системы автоматического регулирования, работающие по комбинированному циклу, делятся на две группы: системы автоматической стабилизации и следящие системы. Эти системы могут иметь один или два разомкнутых цикла, компенсирующих влияние сигналов управления и возмущения (см. рис. 1.4, в, г).

Наконец, к последнему классу систем относятся три группы: самонастраивающиеся системы экстремального регулирования, системы с перестраивающимися устройствами и аналитические самонастраивающиеся системы [72].

В экстремальных системах автоматический регулятор поддерживает экстремальное значение регулируемой величины путем подачи поискового сигнала (см. гл. XVI).

В системах с перестраивающимися устройствами параметры или структура автоматически изменяются в зависимости от управляющих и возмущающих воздействий или от изменения параметров объекта. Перестройка свойств аналитических самонастраивающихся систем осуществляется на основе аналитического определения их динамических характеристик. Из этого следует, что в состав аналитических самонастраивающихся систем должны входить вычислительные машины. Отметим, что в самонастраивающихся системах регулирования с цифровыми вычислительными машинами последовательность действий, заданная программой, называется алгоритмом.

В ряде случаев в самонастраивающиеся системы, кроме обычных устройств систем регулирования, входят элементы, выполняющие логические операции, блоки памяти и устройства формирования поискового сигнала. Помимо основных логических элементов, осуществляющих операции НЕ, И, ИЛИ, здесь применяются более сложные элементы, выполняющие операции совпадения, равнозначности, нахождения экстремума, выбора из нескольких однородных величин наибольшей или наименьшей (см. гл. VI).

При классификации систем регулирования по характеру сигналов все системы можно разделить на непрерывные, дискретные, дискретнонепрерывные (цифровые) и релейные. В непрерывных системах все сигналы в устройствах и объектах регулирования представляют собой непрерывные функции времени. В дискретных системах все сигналы квантуются по времени, а в дискретно-непрерывных — как по времени, так и по уровню. В последнем классе систем имеются две группы устройств регулирования: непрерывные и дискретные. При квантовании непрерывного сигнала по уровню образуется ступенчатый сигнал. Элементы, осуществляющие квантование сигнала по уровню, называются релейными, а системы с подобного рода элементами — релейными системами автоматического регулирования.

По математическому описанию все системы делятся на два класса: линейные и нелинейные (по виду дифференциальных уравнений, описывающих поведение системы в динамике). При такой классификации каждый

класс систем можно разбить на четыре группы: 1) стационарные с сосредоточенными параметрами; 2) стационарные с сосредоточенными и распределенными параметрами; 3) нестационарные системы с сосредоточенными параметрами; 4) нестационарные системы с сосредоточенными и распределенными параметрами.

Первая группа систем описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями с постоянными параметрами. В системах с распределенными параметрами (вторая группа) отдельные устройства системы или ее объекты описываются дифференциальными уравнениями в частных производных (см. гл. IX). В системах третьей и четвертой групп параметры дифференциальных уравнений изменяются в зависимости от времени. Каждая группа систем может быть разделена на две подгруппы: на детерминированные и стохастические [72].

При классификации по виду используемой энергии все системы можно подразделить на электрические, гидравлические, пневматические, электрогидравлические, электропневматические и т. п. Однако этой классификацией в настоящее время пользуются крайне редко.

Как известно, всякая система автоматического регулирования состоит из объекта регулирования и регулятора, в который входит чувствительный элемент. Системы регулирования, где чувствительный элемент воздействует непосредственно на регулирующий орган, называют системами прямого регулирования, а регуляторы — регуляторами прямого действия.

В регуляторах прямого действия энергия, необходимая для изменения положения регулирующего органа, поступает от чувствительного элемента. Если последний не в состоянии развить мощность, требуемую для нормальной работы регулирующего органа, то система регулирования не может функционировать. Кроме того, системы прямого регулирования имеют низкую точность и поэтому применяются редко.

В системах непрямого регулирования после чувствительного элемента устанавливаются усилители мощности и серводвигатели, воздействующие на регулирующие органы. В этом случае повышается точность и качество процессов регулирования.

В заключение отметим, что в зависимости от числа регулируемых величин системы автоматического регулирования подразделяют на одномерные (одна регулируемая величина), двухмерные (две регулируемые величины) и многомерные (при регулируемых величинах). Многомерные системы регулирования могут быть системами несвязанного и связанного регулирования. В системе несвязанного регулирования регуляторы, управляющие различными переменными, не связаны один с другим и работают независимо. В системе связанного регулирования регуляторы связаны между собой, и для нормальной работы требуется их вполне определенное взаимодействие. Систему связанного регулирования называют автономной, если существуют такие связи между регуляторами, когда изменение одной из регулируемых величин не вызывает изменения остальных.

Перейдем к рассмотрению систем регулирования, пользуясь классификацией по виду сигналов, проходящих через устройства и объекты систем.