Типовая функциональная схема САУ

Приведенные примеры позволяют представить типовую функциональную схему САУ (рис. 1.14).

 

Рис. 1.14. Типовая функциональная схема САУ:

1 — задающее устройство; 2, 5 — сравнивающие устройства;

3 — преобразующее устройство; 4, 8 — корректирующие устройства (регуляторы); 6 — усилительное устройство; 7 — исполнительное устройство;

9 — объект управления; 10 — чувствительный (измерительный) элемент;

11 — элемент главной обратной связи; n(t) — помеха

 

Рассмотрим назначение каждого из элементов этой схемы.

Задающее устройство 1 преобразует воздействие y₃(t) в сигнал y(t), а сравнивающее устройство 2 в результате сравнения сигнала y(t) и регулируемой величины x(t) (предполагается, что элементы 10 и 11 не искажают сигнал x(t)) вырабатывает сигнал ошибки ε(t). Сравнивающее устройство также называют датчиком ошибки, отклонения, рассогласования.

Преобразующее устройство 3 служит для преобразования одной физической величины в другую, более удобную для использования в процессе управления (во многих системах преобразующее устройство отсутствует).

Регуляторы 4, 8 служат для обеспечения заданных динамических свойств замкнутой системы. С их помощью обеспечивается высокая точность ее работы в установившемся режиме, а также демпфируются сильные колебательные процессы (например, летательных аппаратов). Более того, введение в систему регулятора позволяет устранить незатухающие или возрастающие колебания управляемой величины. Иногда регуляторы вырабатывают управляющие сигналы (команды) в зависимости от возмущающих воздействий, что существенно повышает качество работы систем, увеличивая их точность.

Из приведенной схемы САУ видно, что в хорошо спроектированной системе ошибка ε(t) очень мала, в то время как на управляемый объект должны поступать воздействия с мощностью, достаточной для питания двигателя. В связи с этим важным элементом САУ является усилительное устройство 6, предназначенное для усиления мощности сигнала ошибки ε(t), т.е. управления энергией, поступающей от постороннего источника. На практике широко используются электронные, магнитные, гидравлические и пневматические усилители.

Следующим важным элементом САУ является исполнительное устройство 7, предназначенное для воздействия на управляющий орган. Исполнительные устройства могут быть пневматические, гидравлические и электрические, которые подразделяются, в свою очередь, на электромоторные и электромагнитные.

Пневматические исполнительные устройства имеют сравнительно малые габариты и массу, но требуют большого расхода сжатого газа. Гидравлические исполнительные устройства способны преодолевать большие нагрузки и практически безынерционны. Их недостаток — большая масса. Электрические исполнительные устройства достаточно универсальны и отличаются удобством подведения к ним энергии. Вместе с тем их использование требует наличия достаточно мощного источника тока. В некоторых САУ исполнительный механизм как таковой отсутствует, и воздействие на объект осуществляется изменением состояния управляющей величины (тока, напряжения) без помощи механических устройств.

Чувствительный (измерительный) элемент — датчик 10 необходим в САУ для преобразования управляемых переменных в сигналы управления (например, угла в напряжение).

Элемент, который подвергается управлению, является объектом управления. При проектировании объектом управления считают всю неизменяемую часть САУ (т.е. все элементы, кроме регулятора). Это могут быть, самолет, ракета, космический аппарат, двигатель, ядерный реактор, станок для обработки металла и т.д. В связи с большим разнообразием объектов управления разными могут быть и управляемые переменные: напряжение, число оборотов, угловое положение, курс, мощность и т.д.

Из анализа рис. 1.14 можно сделать вывод о том, что САУ представляет собой замкнутую систему, обладающую свойством однонаправленности и реагирующую на сигнал ошибки ε(t).

Определим сигналы, представленные на рис. 1.14.

Сигнал y(t) является преобразованным задающим воздействием (т.е. входным сигналом).

Сигнал x(t) — управляемая переменная (т.е. выходная величина системы, реакция).

Сигнал ε(t), — сигнал ошибки (рассогласования).

Сигналы u/(t) и U/(t) — команды управления.

Дадим несколько определений.

Система, в которой сигнал y(t) — известная функция (детерминированный сигнал) на всем промежутке управления, называется системой программного управления.

Система, в которой задающее воздействие y(t) = const, называется системой стабилизации.

Система, в которой задающее воздействие y(t) — случайная функция, называется следящей системой.

Таким образом, одномерные системы могут быть системами программного управления, системами стабилизации и следящими системами.

Кроме того, на практике используются:

- системы с поиском экстремума показателя качества;

- системы оптимального управления;

- адаптивные системы.

 

Классификация САУ

Системы автоматического управления можно классифицировать по различным признакам.

Классификация САУ по классам дифференциальных уравнений,которыми они описываются, приведена на рис. 1.15.

 

Рис. 1.15. Укрупнённая классификация САУ по классам дифференциальных уравнений

 

Линейными называют системы, описываемые линейными операторными уравнениями (например, линейными дифференциальными уравнениями или системами этих уравнений); в противном случае система входит в класс нелинейных.

Линейные и нелинейные дискретные системы описываются соответственно линейными и нелинейными разностными уравнениями или системами разностных уравнений.

Линейные и нелинейные стационарные системы описываются дифференциальными уравнениями или системами уравнений с постоянными коэффициентами.

Линейные и нелинейные нестационарные системы описываются дифференциальными уравнениями или системами уравнений с переменными коэффициентами.

Сосредоточенные системы, или системы с сосредоточенными параметрами, описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями.

Распределенные системы, или системы с распределенными параметрами, описываются дифференциальными уравнениями в частных производных.

По принципу действия различают:

- САУ по отклонению — принцип И. И. Ползунова (первая система управления уровнем воды в баке паровой машины была создана им в 1765 г.);

- САУ по возмущению — принцип Ж. Понселе (первая система управления по нагрузке на валу паровой машины была предложена им в 1830 г.);

- комбинированные САУ, объединяющие принципы И. И. Ползунова и Ж. Понселе.

Структурная схема САУ по отклонению представлена на рис. 1.16 Легко заметить, что эта схема аналогична схеме типовой промышленной САУ.

Решая конкретную задачу управления работой паровой машины, Иван Иванович Ползунов и не предполагал, что его схемное решение будет использоваться через 200 лет в 80...90% промышленных САУ.

Достоинством САУ по отклонению является то, что она компенсирует влияние любого возмущающего воздействия, которое вызвало отклонение значения ее выходного сигнала (±ΔДвых), изменением через цепь отрицательной обратной связи значения входного сигнала (±ΔХвх) с помощью сигнала μ, поступающего с регулятора.

Рис. 1.16. Структурная САУ по отклонению

 

Недостаток САУ по отклонению состоит в том, что отклонение выходного сигнала (например, вследствие нарушения технологического режима) должно сначала появиться, и только после этого регулятор должен не только компенсировать возмущающее воздействие, но и свести к нулю отклонение от заданного значения регулируемого параметра Х_ВЫХ. При использовании высокочувствительного датчика это отклонение может быть минимальным, но в принципе оно будет иметь место.

Структурная схема системы автоматического управления по возмущению представлена на рис. 1.17.

Рис. 1.17. Структурная схема САУ по возмущению

 

Иногда возмущающее воздействие (например, изменение температуры наружного воздуха) можно измерить, т.е. если X единственное возмущающее воздействие на объект (например, сигнал поверхностного теплообменника, установленного на открытой площадке), его измеряют и подают на регулятор для сравнения с заданным значением и выработки управляющего сигнала, из­меняющего значение входного сигнала.

При таком принципе управления изменение возмущающего воздействия компенсируется регулятором до того, как оно нарушит технологический режим работы объекта, что является главным достоинством этого типа САУ. Однако существенный недостаток таких систем — это неспособность компенсировать влияние других возмущающих воздействий на объект, которых в современных сложных установках бывает несколько и которые иногда невозможно измерить. Поэтому в промышленности САУ по возмущению используются редко.

Следует обратить внимание на то, что в САУ по возмущению выходной сигнал объекта или системы жестко (через цепь элементов) не связан с входным сигналом. Следовательно, САУ по возмущению является разомкнутой, т.е. системой без обратной связи по выходному сигналу.

Комбинированные САУ (рис. 1.18) лишены многих недостатков предыдущих рассмотренных схем.

Оператор-технолог обычно знает, откуда ждать наибольшее возмущающее воздействие и, если его можно измерить, для компенсации устанавливается регулятор 1. Для компенсации влияния остальных возмущающих воздействий в цепь отрицательной обратной связи подключается регулятор 2. Таким образом, в комбинированных САУ используются и принцип И. И. Ползунова, и принцип Ж. Понселе.

Рис 1.18. Структурная схема комбинированной САУ.

 

По закону изменения во времени выходного сигнала задатчика различают САУ автоматической стабилизации, программные и следящие.

Отличительным признаком САУ автоматической стабилизации является постоянное во времени значение выходного сигнала их задатчика, т.е.

Современные технологии — это в большинстве случаев технологии непрерывных производств, в которых заданный технологический режим не меняется сутками и месяцами. Объекты таких технологий, обладающих высокими технико-экономическими показателями (ТЭП), обычно управляются САУ автоматической стабилизации.

Отличительный признак программных САУ — это изменение выходного сигнала задатчика по заранее известной функции времени, т. е. по программе

Программные САУ используются для управления периодическими процессами (металлообработкой, термообработкой изделий и др.). При этом способ задания программы может быть самый различный: от применения механического вращающегося кулачка до программы, записанной в микропроцессор.

В следящих САУ выходной сигнал задатчика заранее неизвестен, т.е. он может быть случайной величиной:

Такая ситуация возникает, когда следящая система является вторичной и отслеживает параметр, значение которого заранее неизвестно. Например, при необходимости подачи воздуха в определенном соотношении с расходом газа в топку котла. В этом случае расход газа меняется случайным образом под влиянием возмущающих воздействий, но система управления расходом воздуха должна выдерживать определенное их соотношение, т. е. должна следить за изменением расхода газа, который является для нее заданием.

По закону изменения во времени выходного сигнала регулятораразличают САУ дискретные (двух-, трехпозиционные) и непрерывные (аналоговые).

Выходной сигнал регулятора в двухпозиционных САУ может принимать два резко отличающихся друг от друга значения: 0 — 1; включено — отключено; замкнут-разомкнут.

Примером двухпозиционной системы является бытовой холодильник с термореле.

Рис. 1.19. Временной график работы двухпозиционного САУ

 

На рис. 1.19 приведен временной график работы такой САУ. При отключенном циркуляционном насосе хладоагента температура в камере холодильника постепенно повышается и, достигнув определенного значения (+6 °С), замыкает термореле, через контакт которого затем включается насос. При циркуляции хладагента температура в холодильнике снижается до +2 °С, термореле размыкает контакт цепи насоса, и цикл повторяется.

Двухпозиционные САУ надежны, дешевы, но точность регулирования параметра в них мала.

Реже применяются трехпозиционные САУ, в которых выходной сигнал регулятора может принимать три значения: -1; 0; +1 или больше —норма—меньше. Качество работы трехпозиционных САУ выше, но надежность ниже.

В аналоговых САУ выходной сигнал регулятора непрерывно изменяется во времени, иногда по сложному закону в определенном диапазоне. В Государственной системе приборов (ГСП) эти диапазоны стандартизированы.

Диапазон выходных сигналов пневматических регуляторов составляет 0,02...0,1 МПа.

Электрические регуляторы имеют несколько стандартных диапазонов: 0...5, 0...20, 4.,.20 мА; 0... 10 В и др.

В дальнейшем мы будем рассматривать методику исследования и математический аппарат, используемый при разработке САУ непрерывного действия, действующих по принципу И.И. Ползунова, гак как таких систем в промышленности большинство.