Файл: Кравченко Р.Г. Основы кибернетики учеб. пособие.pdf

к объекту управления S, образуют систему автоматического ре­ гулирования — САР. Принципиальная функциональная схема системы автоматического регулирования изображена на рис. 37.

Назначение измерительного устройства состоит в том, чтобы вырабатывать сигналы Z, отражающие значение регулируемой величины X. В качестве измерительных устройств в САР исполь­ зуются обычно такие преобразователи, которые однозначно пре­ образуют значение регулируемой величины X в соответствую­ щую ей другую величину Z, удобную для передачи и исполь­ зования управляющим устройством. Измерительный элемент реализует функциональное преобразование вида Z=f(X), в част­ ности, в линейное преобра­

зование Z=XX, где А — ко­ эффициент передачи изме­ рительного устройства. На­ пример, молокомер, ис­ пользуемый на ферме, опре­ деленному объему молока ставит в соответствие опре­ деленную метку измеритель­ ной шкалы, показывающей количество килограммов (литров) молока. Молоко­ мерам разного размера ци­ линдрической формы соот­ ветствуют разные коэффи­ циенты, которые будут, од­ нако, постоянными. Таким

образом, независимо от уровня заполнения молокомера объем находящегося в нем молока будет преобразовываться в кило­ граммы с помощью одного и того же линейного коэффициента X. Если же молокомер будет изготовлен, например, в форме усе­ ченного конуса, то коэффициент преобразования объема молока в килограммы будет возрастать по мере заполнения молоко­ мера, т. е. в этом случае функция преобразования будет носить не линейный, а более сложный характер.

Простейшее устройство управления представляет собой эле­ мент системы управления, предназначенный для сравнения двух сигналов: сигнала Z, характеризующего значение регулируемой величины, и сигнала Z0, характеризующего ее заданное значение. Такой управляющий элемент вырабатывает сигнал управле­ ния U, представляющий собой результат сопоставления сигна­ лов Z и Z0 и определенной функции, посредством которой по разности определяется сигнал управления U=f(Z — Zо).

В частном случае сигнал управления может быть линейной функцией отклонения регулируемой величины от заданного ее значения: U=XU(Z — Z0), где Хи — коэффициент передачи управ­ ляющего элемента.

181

В том случае, когда мощности сигнала недостаточно для эф­ фективного воздействия на исполнительный орган, тогда в цепь управления вводится усилитель мощности сигнала.

Элементы системы управления, у которых входные величины связаны с выходными функциональной зависимостью, называ­ ются статическими элементами. В качестве исполнительных эле­

рования на примере регулирования температуры в теплице. Отме­ тим, что эта схема носит общий характер, отражая структуру систем автоматического регулирования, применяемых в технике (рис. 38). Отопительное устройство в этой системе обозначим через В. Если известна внешняя температура, то можно уста­ новить, например, с помощью специальных таблиц, какая будет температура в теплице при поступлении определенного количе­ ства пара, регулируемого с помощью вентилей А. И наоборот, по внешней температуре можно определить, какое количество пара должно поступать в обогревающие элементы В, чтобы тем­ пература в теплице поддерживалась на желаемом уровне. Та­

. 182

ким образом, как температуру внешней среды, так и количество подаваемого в систему отопления пара можно измерить, а также найти количественные зависимости, в которых эти величины находятся между собой.

Наиболее простой способ регулирования такой системы будет состоять в том, что рабочий в соответствии с внешней тем­ пературой и температурой в теплице будет соответственно изме­ нять положение вентиля. При этом он может пользоваться либо соответствующей таблицей, либо действовать по принципу «проб и ошибок». В последнем случае работник, наблюдая тем­ пературу в теплице, изменяет (подбирает) положение вентиля таким образом, чтобы температура находилась в пределах за­ данной нормы.

В общем случае регулирование может осуществляться раз­ личными способами. Система может отклоняться от заданного состояния по разным причинам. Но одна из главных причин соCTOHt в воздействии внешней среды — условий, причин того внешнего окружения, в котором функционирует система. По­ этому естественно при регулировании системы искать способы, которые позволили бы каким-то образом видоизменить внешнюю среду, т. е. если не устранить, то, по крайней мере, уменьшить ее нежелательное воздействие на систему. Такой способ регули­ рования называют методом у с т р а н е н и я в о з му ще н и й . К такому методу можно отнести, например, биологические, хи­ мические методыборьбы с вредителями сельскохозяйственных культур.

Регулирование может осуществляться посредством влияния на возмущающие воздействия путем их устранения либо смягче­ ния, т. е. компенсацией воздействий внешней среды, которые мы не изменяем, но на влияние которых мы воздействуем имею­ щимися в нашем распоряжении способами. Такой метод назы­ вают методом к о мп е н с а ц и и . Устройства, компенсирующие возмущения, носят общее название компенсаторов. Так, неблаго­ приятное воздействие засушливых условий можно компенсиро­ вать системой орошения либо организацией поливов.

И наконец, регулирование может осуществляться по методу в ы р а в н и в а н и я от клоне ний , при котором регулирование осуществляется посредством выравнивания отклонений действи­ тельного значения управляемой переменной от заданного значе­ ния (нормы). Устройства, служащие этим целям, носят назва­ ние регуляторов. Так, в примере с теплицей регулятором яв­ ляется вентиль.

Устранение воздействий возмущений достигается и тогда, когда обеспечение заданного значения управляемой переменной осуществляется посредством изоляции объекта управления от внешних возмущений. В рассматриваемом примере полная либо частичная изоляция теплиц от внешней температуры может быть достигнута за счет утепления. Устройства такого рода приме­

183

няются достаточно часто и называются по-разному: щиты, изоля­ торы, буферы, амортизаторы и т. и. Такого рода приспособле­ ния существуют и в живых организмах, например шерстный покров у овец, панцирь у черепахи и т. п. Отметим, что, не­ смотря на высокую эффективность таких устройств, их приме­ нение не всегда возможно. В таких случаях регулирование дол­ жно осуществляться методами выравнивания отклонений либо компенсации возмущений. К методам компенсации возмущений относится, в частности, создание искусственных лесополос, за­ щищающих посевы от суховеев, пыльных бурь и т. п. Искусст­ венные лесные насаждения, водоемы и моря благоприятно влияют на изменения климатических условий в нужном для земледельца направлении, компенсируя таким образом небла­ гоприятные внешние воздействия. Если при этом такие мероприя­ тия приводят к изменению внешних условий, например микро­ климата, то они выполняют более высокую роль в процессе регулирования.

Характерной особенностью метода компенсации возмущений при использовании его в системе автоматического регулирования является необходимость знания количественных зависимостей между определенным видом внешнего возмущения, управляемой переменной и управляющим воздействием. В нашем примере не­ обходимо знать зависимость между температурой внешней среды, температурой в теплице и количеством пара, поступающего в обогревающее устройство и регулируемое положением вен­ тиля. Метод компенсации возмущений в принципе требует мно­ жества сведений: знания определенных функциональных зависи­ мостей между внешними возмущениями, между управляемой величиной и компенсирующими воздействиями и др. Количество таких сведений и сложность зависимости между величинами осо­ бенно возрастают, когда источники возмущений многочисленны и многообразны. Это имеет место, в частности, в сельском хо­ зяйстве. Использование метода выравнивания отклонений, как правило, не требует такой обширной информации, так как в принципе можно воспользоваться даже способом «проб и ошибок». По этой причине в технике, особенно в тех случаях, когда отклонения возникают часто и непредвиденно, а функцио­ нальная зависимость между возмущениями и последствиями не­ известна, применяется метод выравнивания отклонений. Процесс выравнивания в настоящее время автоматизирован, т. е. регу­ лирование осуществляется с помощью автоматических устройств. Это, однако, не повлияло на существо самого процесса регули­ рования.

На рис. 38, а представлена схема автоматического регулиро­ вания, основанная на использовании метода компенсации воз­ мущений, на рис. 38,6 — метода выравнивания отклонений. В обоих случаях в системе автоматического регулирования не­ обходимо наличие датчика С (рецептора), которым может слу­

184

жить, например, сосуд, наполненный газом. Датчик соединен соответствующими проводниками с собственно регулирующим устройством. Если окружающая температура повышается, то газ в сосуде (датчике) расширяется и давит на поршень, кото­ рый сжимает пружину, а последняя посредством рычага и вен­ тиля вызывает уменьшение подачи пара. В случае понижения температуры внешней среды газ будет сжиматься, что приведет к расширению пружины и соответственно к увеличению подачи пара. Аналогичным образом сконструирована система автома­ тического регулирования по методу выравнивания отклонений, только датчик расположен внутри теплицы. Регулирование, основанное на методе выравнивания отклонений, использует об­ ратную связь, характеризуя замкнутую цепь связей элементов данной системы. Другимц словами, реализация метода вырав­ нивания отклонений достигается посредством замкнутой цепи воздействий. В регулировании же, основанном на компенсации возмущений, обратной связи нет, цепь связей здесь разомкнута,

равнивания отклонений могут использоваться для устранения нежелательных воздействий внешней среды. Однако первый ре­ ализуется в открытой системе управления, второй — в замк­ нутой.

Кодному из первых регуляторов, использованных человеком

всвоей практической деятельности, очевидно, следует отнести

остроумный регулятор подачи зерна в жернова при размоле на мельнице. Представим себе мельницу, зерно в которой из желоба попадает в размалывающее устройство, состоящее, на­ пример, из двух камней. Вал, с помощью которого осуществ­ ляется движение верхнего камня, выполним в граненой форме и к нему присоединим желоб. Тогда чем быстрее будет вра­ щаться вал, а следовательно, и камень, тем чаще будет проис­ ходить потряхивание желоба и тем больше зерна будет посту­ пать в размалывающее устройство и наоборот. К первым уст­ ройствам автоматического типа, которые начали производиться в промышленных масштабах, относится широко описанный в ли­ тературе регулятор подачи пара в паровую машину, изобретен­ ный Дж. Уаттом.

Регулирование механизмов может осуществляться двумя и тремя описанными выше способами. Так, укрепляя машину на амортизаторах, устраняют некоторые внешние возмущения, воз­ действующие на ее работу, реализуя таким образом принцип устранения воздействия возмущений. Если такую машину обору­ довать снегоочистителем, то она сможет осуществлять непосред­ ственно изменение внешней среды, прокладывая дорогу в снеж­ ных заносах, устраняя таким образом внешние помехи. И на­ конец, с помощью регуляторов скорости можно осуществить

185