Файл: Автоматизация_Staroverov1.doc

Системы автоматического регулирования относятся к систе­мам прерывистого (дискретного) действия, если непрерывному изменению входной величины хотя бы одного элемента, входящего в состав системы, соответствует прерывистое изменение выходной величины этого элемента.

Обыкновенными системами являются стабилизирующие, программные и следящие системы автоматического регулиро­вания.

Стабилизирующие автоматические системы предназначены для поддержания постоянного значения регулируемой величины в не­которых пределах с заданной точностью. Такие системы широко используются для стабилизации температуры в рабочем простран­стве плавильных и термических печей, уровня жидкости в зака­лочном баке, разрежения в вакуумных печах и т. д.

Примером может служить автоматическая система стабилиза­ции температуры в термостате (рис. 120), в котором тепловая энергия поступает от нагревательного элемента НЭ. Чувстви­тельным элементом в схеме является контактный термометр КТ. При повышении температуры выше заданного значения возбу­ждается реле К, и его размыкающий контакт, включенный в цепь нагревательного элемента, размыкается. При понижении темпе­ратуры реле К обесточивается, и нагревательный элемент вклю­чается.

Любая система регулирования характеризуется зависимостью между регулируемой величиной и внешним воздействием на объект регулирования. По виду таких зависимостей, называемых регулировочными характеристиками, различают стабилизирую­щие системы статического и астатического регулирования.

Рассмотрим две схемы регулирования уровня воды в напор­ном баке (рис. 121).

В первой схеме (рис. 121, а) поплавок 1 механически связан с задвижкой 2 (регулирующим органом). При увеличении расхода воды из бака уровень воды понижается, и опускающийся попла­вок изменяет положение задвижки, увеличивая пропускное сече­ние питающей трубы и, как следствие этого, количество поступа­ющей в бак воды. Это приведет к тому, что уровень жидкости начнет повышаться, и поднимающийся поплавок переместит задвижку. Равновесие наступит, когда приток воды будет равен расходу. Чем больше будет' расход воды, тем больше будет от­крыта задвижка. В этой схеме с возра­станием расхода воды значение регули­руемой величины Я будет уменьшаться.

Такое регулирование, когда после окон­чания переходного процесса регулируемая величина принимает различные постоян­ные значения, называют статическим регулированием.

Рис. 120. Схема стабилизации температуры в термо­стате

Во второй схеме (рис. 121, б) поплавок 1 механически связан с ползуном реостата 4, управляющего двигателем постоянного тока 3. При смещении ползуна реостата вверх или вниз от среднего значения двигатель перемещает задвижку 2 до тех пор, пока не восстановится заданный уровень воды Я в баке, т. е. пока напря­жение, под&ваемое на двигатель, не станет равным нулю.

Следовательно, под астатическим регулированием понимается такое регулирование, которое поддерживает постоянное значе­ние регулируемой величины при различных внешних возму­щениях.

Программная система автоматического регулирования практи­чески представляет собой стабилизирующую систему, в которой непрерывно изменяется задающее воздействие. Для получения определенной программы в таких системах предусмотрено спе­циальное устройство, изменяющее заданное значение регули­руемой величины в определенном направлении. В качестве при­мера таких систем можно назвать систему программного регу­лирования температуры в термических печах при ступенчатом отжиге и т. п.

Следящие автоматические системы регулирования предназна­чены для изменения регулируемой величины по закону заранее неизвестной функции времени. В таких системах применяется следующая терминология: вместо термина «регулирование» исполь­зуется термин «слежение», входная величина — ведущая вели­чина, выходная величина—ведомая величина.

В литейных и термических цехах следящие системы автомати­ческого регулирования встречаются наиболее часто при регули­ровании соотношения расхода газа и воздуха в топливных печах. В таких системах при изменении расхода газа (ведущая величина) необходимо пропорционально изменять расход воздуха (ведомая величина), чтобы отношение газ—воздух сохранялось постоянным. Такая система обеспечивает экономичность сжигания топлива и позволяет получить в рабочем пространстве печи атмосферу заданного состава.

3. САМОНАСТРАИВАЮЩИЕСЯ СИСТЕМЫ

РЕГУЛИРОВАНИЯ

К группе самонастраивающихся систем относятся си­стемы экстремального регулирования, системы с самонастройкой параметров и самонастройкой структуры.

Задачей экстремального регулирования является поддержание одного или нескольких показателей процесса на наиболее высо­ком или наиболее низком уровне при непрерывном изменении различных возмущающих воздействий, влияющих на условия работы системы. Таким образом, задача экстремального регули­рования возникает, когда характеристика установившегося со­стояния объекта регулирования имеет экстремум, который отве­чает наиболее желательному режиму работы системы. Более того, применение экстремального регулирования имеет смысл только в том случае, если внешние и внутренние возмущения вызывают перемещение экстремальной точки.

Следовательно, в системе экстремального регулирования должно быть дополнительное устройство (автоматического поиска экстремума), которое бы непрерывно изменяло установку регу­лятора с таким расчетом, чтобы поддерживать регулируемую величину или другой показатель на наивысшем или наинизшем уровне в условиях непрерывного изменения возмущающих воз­действий.

В экстремальной системе (рис. 122) имеются два замкнутых контура: один состоит из главной обратной связи, с помощью которой процесс регулирования осуществляется обычным спо­собом; второй обеспечивает самонастройку системы, т. е. авто­матический поиск оптимальной точки.

Примером такой системы является реализация задачи мини­мизации расхода топлива в двигателях самолета при полете на большие расстояния. Здесь минимум определяется в зависимости от расхода топлива на единицу пути и от скорости полета, причем положение этого минимума зависит от массы самолета, высоты полета, направления и скорости ветра и др.

Рис. 122. Схема системы экстремального регулирования

В литейных и термических цехах эти системы пока не нашли широкого применения. В частности, их начинают использовать для регулирования процесса горения топлива в печах.

В системах с самонастройкой параметров при изменениях возмущающих воздействий или характеристик отдельных эле­ментов автоматически корректируются те или иные параметры регулятора, например изменяются коэффициенты усиления, вво­дятся производная и интеграл в закон регулирования и т. п. В состав таких систем, как правило, входит вычислительное устройство, определяющее отклонение того или иного показателя работы системы от его оптимального значения, и настраивающее устройство, воздействующее на настройку параметров системы.

В качестве вычислительных устройств используют как анало­говые, так и цифровые ЭВМ.

Системы с самонастройкой структуры называют также само­организующимися системами. Они изменяют структурную схему основного управляющего устройства. Поэтому самонастраива­ющиеся системы этого вида относят к системам с переменной структурой.

Осуществляя автоматический поиск в соответствии с задан­ным критерием работы, система, самостоятельно используя вычи­слительные и логические устройства, выбирает из ряда заранее подготовленных структур наилучшую, оптимально отвечающую заданным условиям работы. Возможность изменения структуры расширяет область применения данных систем. Рассмотренный принцип используется в системах управления работами. *

4. качественные показатели АВТОМАТИЧЕСКОГО

РЕГУЛИРОВАНИЯ

В соответствии с двумя основными режимами работы автоматических систем регулирования (установившимся и пере­ходным) их показатели делят на две группы.

Основным параметром, характеризующим работу системы автоматического регулирования в установившемся режиме, яв­ляется статическая ошибка. Статическая ошибка — остаточное отклонение регулируемой величины от заданного значения после окончания процесса регулирования. Она, например, может быть вызвана зоной нечувствительности первичного преобразо­вателя.

Для уменьшения остаточной ошибки можно использовать прин­ципы регулирования по возмущению в комбинированных системах автоматического регулирования. Из множества действующих возмущений выбирают главное, и в зависимости от его значения воздействуют на объект регулирования таким образом, 'чтобы скомпенсировать влияние данного возмущения на регулируемую величину.

При приложении к системе автоматического регулирования некоторого воздействия в ней начнется переходный процесс.

а) Б) 6)

Рис. 123. Простейшие аналоги систем с различной устойчивостью:

а — система устойчивости «в малом»; б — система неустойчивости; в — система устой­чивости «в большом».

Если через некоторое время после прекращения воздействия в ре­зультате переходного процесса система вернется в установив­шееся состояние, то такая система называется устойчивой. Сле­довательно, устойчивость систем автоматического регулирования есть свойство системы возвращать регулируемую величину к за­данному состоянию равновесия. Неустойчивая система не возвра­щается в равновесное состояние, из которого она по той или иной причине вышла, а непрерывно удаляется от него или совершает около него некоторые колебания.

В общем случае система автоматического регулирования может быть устойчивой только при малых возмущениях. Иллюстрацией устойчивости системы автоматического регулирования может служить шарик (рис. 123), помещенный в чаше. В этом примере координату центра тяжести шарика считают аналогом регули­руемой величины. При малых отклонениях от дна шарик стре­мится занять положение на дне (рис. 123, а), При больших откло­нениях он может перейти за края чаши, после чего он не сможет вернуться к своему положению равновесия на дне чаши. Не­устойчивую систему можно иллюстрировать перевернутой чашей (рис. 123, б). Шарик, помещенный на ее вершине, при любом воз­мущении скатится вправо или влево и никогда не займет прежнего положения. Система (рис. 123, в) относится к устойчивой «в боль­шом», поскольку шарик, находящийся во впадине, при любых отклонениях обязательно вернется в исходное положение.

В процессе регулирования в зависимости от свойств самого объекта и регулятора и правильности его настройки возможны различные типы переходных процессов. Апериодический процесс — процесс, характеризуемый тем, что после отклонения регулируе­мой величины X от заданного значения Х_ь она апериодически воз­вращается к новому устойчивому значению (рис. 124, а). Колеба­тельный процесс с затухающей амплитудой — процесс, в котором регулируемая величина изменяется относительно заданного зна­чения с затухающей амплитудой (рис. 124, б).

Рассмотренные процессы регулирования являются устойчи­выми, т. е. после полученного возмущения процесс приходит к равновесию.

В неустойчивой системе регулируемая величина после возму­щения и работы регулятора совершает гармонические колебания около заданного значения с постоянными амплитудой и частотой

Рис. 124. Кривые регулирования:

_а — устойчивого апериодического процесса; б — неустой­чивого процесса с затухающей амплитудой колебаний; в — устойчивого колебательного процесса; е — неустой­чивого процесса о расходящейся амплитудой колебаний

а)

б)

РЛАААг