2.3 Структурные схемы аср

При исследованиях и расчетах АСР исходят из математического описания физических процессов, происходящих в них. Обычно это описание бывает представлено в виде системы дифференциальных уравнений, которые выражают связь между переменными величинами и их производными и определяют сущность происходящих в системе процессов независимо от принципов ее действия, назначения и конструкции. Решив такое дифференциальное уравнение АСР, можно найти характер изменения регулируемой переменной в переходных и установившихся режимах при определенных задающих и возмущающих воздействиях. Для упрощения задачи нахождения дифференциального уравнения АСР в целом исследуемую систему разбивают на отдельные части – звенья направленного действия, которые, как указывалось ранее, обладают свойствами передачи сигнала только в одном направлении (свойствами детектирования): от входа к выходу и в которых переходные процессы описываются достаточно простыми дифференциальными уравнениями. Совокупность этих звеньев совместно с линиями связи, характеризующими их взаимодействие, образует структурную схему автоматической системы регулирования (от лат. structura – строение, расположение, порядок).

Таким образом, структурной схемой АСР называется графическое представление математической модели системы в соединении звеньев, в котором каждой математической операции преобразования сигнала соответствует определенное звено, условно обозначаемое в виде прямоугольника с указанием входных и выходных величин, а также уравнения или передаточной функции этого звена. Уравнение (передаточную функцию) записывают внутри или вне прямоугольника (рис. 13).

Суммирующие звенья изображают так же, как и на функциональных схемах.

	Общим между функциональными и структурными схемами является то, что те, и другие отражают процесс передачи и переработки информации в контуре автоматической системы регулирования.
Рисунок 13 – Пример структурной схемы АСР

Однако между ними существует и четкое различие: функциональные схемы дают характеристику системы по составу входящих в нее элементов, которые рассматриваются с точки зрения их назначения, т.е. выполняемых ими функций; структурные схемы, состоящие из звеньев направленного действия, математически описывают динамические свойства системы.

2.4 Классификация автоматических систем регулирования

Автоматические системы в зависимости от выполняемых функций подразделяют на три вида: системы автоматического контроля, разомкнутые системы автоматического управления, замкнутые автоматические системы регулирования (рис. 14).

Рисунок 14 – Блок схемы различных автоматических систем в зависимости от выполняемых функций:

а – блок-схема системы автоматического контроля (1 – контролируемый объект; 2 – чувствительный элемент; 3 – усилитель; 4 – измерительный элемент; 5 – задающий элемент; 6 – регистрирующий прибор);

б – блок-схема разомкнутой системы автоматического управления (1 – задающий элемент; 2 – чувствительный элемент; 3 – программный задатчик; 4 – усилитель; 5 – исполнительный элемент; 6 – управляемый объект);

в – блок-схема замкнутой автоматической системы регулирования (1 – задающий элемент; 2 – элемент сравнения; 3 – преобразующий элемент; 4 – исполнительный элемент; 5 – объект регулирования; 6 – чувствительный элемент)

Система автоматического контроля (рис. 14, а) служит для автоматического измерения какой-либо величины или ее отклонения от заданного значения. Сигнал от исследуемого объекта 1 поступает на чувствительный элемент 2, где преобразуется в удобную для индикаций или дальнейшей передачи форму. Через усилитель 3 преобразованный сигнал поступает на измерительное устройство 4, где сравнивается с заданием (задающий элемент 5). Результат сравнения передается на регистрирующее устройство 6. Если система служит для измерения абсолютной величины, то задающее устройство отсутствует.

Разомкнутая система автоматического управления предназначена автоматически выполнять операций, задаваемые внешними источниками воздействий (задающими устройствами) на входе этой системы в заранее заданные моменты времени или при достижении заранее выбранных условий без контроля выходных величин объекта регулирования. Таким образом, процесс управления не зависит от его конечного результата. Обобщенная блок-схема такой системы представлена на рис. 14, б. Задающее устройство 1 или программный задатчик 3 выдает воздействия (команды) на вход системы. Чувствительный элемент 2 преобразует это воздействие в физическую величину, удобную для передачи. Усилитель 4 поднимает энергетический уровень сигнала, выдаваемого чувствительным элементом. Исполнительное устройство 5 в соответствии с этим сигналом изменяет входную величину объекта регулирования. На выходе такой системы отсутствует контроль за исполнением задающего воздействия, т. е. входное воздействие не зависит от хода процесса на выходе, даже если фактический результат процесса управления не соответствует желаемому. В таких системах путь, по которому идут сигналы управления, разомкнут. Для того чтобы разомкнутая система могла нормально функционировать, необходимо ее тщательно отградуировать, т. е. должна быть точно известна связь между значениями задающего воздействия и выходной величины объекта регулирования. Эта связь должна сохраняться при износе деталей механизмов объекта регулирования и системы управления, изменении условий их работы и т. п., что на практике бывает весьма редко. Из-за этого применение подобного рода систем управления ограничено.

Разновидностью разомкнутой системы автоматического управления является разомкнутая система управления по возмущению, в которой управляющее воздействие вводится при изменениях внутри самой системы – при появлении возмущающего воздействия, чтобы компенсировать его. На рис. 15 показан пример такой системы. Регулируемой величиной объекта является уровень жидкости, возмущающими воздействиями – изменения расходов жидкости при изменении давления в системе трубопроводов. При нарушении равенства расходов в приточном и сливном трубопроводах регулятор

Рисунок 15 – Пример системы автоматического правления уровнем по возмущению. 1 – приток жидкости; 2 – сток жидкости; 3 – управляющее устройство – регулятор соотношения расходов жидкости; 4 – измерение уровня жидкости

соотношения воздействует на регулирующий орган, чтобы предотвратить отклонение уровня от заданного значения.

Результаты процесса управления в системах подобного рода также не контролируются – значения выходной величины в систему управления не вводятся. Неизбежные неточности работы регулятора в такой системе приводят к отклонению выходной величины от заданного значения, которое накапливается во времени. Поэтому системы управления по возмущению не могут надежно поддерживать постоянное значение выходной величины объекта регулирования, что ограничивает их применение. Следует отметить, что принцип управления по возмущению используют в замкнутых автоматических системах регулирования для улучшения качества регулирования (их дополняют подобными системами или устройствами компенсации влияния отдельных возмущающих воздействий).

Разомкнутость системы, заключающаяся в том, что выход не оказывает никакого влияния на вход системы, является характерной особенностью ручного регулирования. В системе ручного регулирования уровня (см. рис. 5, а) величина уровня жидкости в баке (выходное воздействие) не оказывает без вмешательства оператора никакого влияния на положение регулирующего вентиля на трубопроводе питательной воды (входное воздействие). Состояние входа системы приводится в соответствие с состоянием ее выхода благодаря действиям оператора. Таким образом, только вследствие работы оператора система регулирования замыкается.

Если замкнуть выход разомкнутой системы (контрольно-измерительные приборы) со входом (источник воздействия) таким образом, чтобы контрольно-измерительные приборы (измерив некоторые величины, характеризующие определенный процесс в объекте регулирования) передавали результаты измерения в блок сравнения, который служил бы источником воздействия на систему (причем величина этого воздействия будет зависеть от того, насколько отличаются измеренные величины в объекте регулирования от требуемых значений), то возникает замкнутая автоматическая система регулирования.

Замкнутая автоматическая система регулирования (рис. 14, в) предназначена для автоматического поддержания постоянства одной или нескольких регулируемых величин (регулируемых параметров), характеризующих производственный процесс или изменения этих величин по заданному закону. В замкнутой автоматической системе регулирования выходная величина объекта непрерывно измеряется и автоматически сравнивается с заданным значением для определения отклонения от задания. Это отклонение является входным воздействием автоматического регулятора. В схеме, приведенной на рис. 14, в, нижняя ветвь представляет собой канал, по которому в автоматическую систему регулирования передается информация о состоянии объекта регулирования в процессе влияния на него возмущающего и задающего воздействий. В зависимости от величины и знака отклонения регулируемого и заданного параметров автоматический регулятор вырабатывает по определенному закону регулирующее воздействие таким образом, чтобы это отклонение автоматически сводилось к нулю или достаточно малой величине.

Практически регулятор изменяет положение регулирующего органа на входе объекта регулирования (ОР) или непосредственно, или с помощью исполнительного механизма.

Рассмотрим пример замкнутой автоматической системы регулирования (рис. 16).

Методическая печь отапливается природным газом, сжигаемым в двухпроводных горелках, к которым подводится воздух от специальных

вентиляторов. Образующиеся продукты сгорания удаляются из рабочего пространства печи за счет тяги дымовой трубы или дымососа. Давление в рабочем пространстве печи – одна из выходных величин объекта регулирования, характеризующая гидравлический режим печи. При любом нарушении равновесия между количествами газа и воздуха, поступающими на отопление печи, и количеством удаляемых из печи продуктов сгорания, регулируемая величина (давление) изменяется, отклоняясь от требуемого значения. Колебания давления газа или воздуха, изменение их подачи, случайные изменения положения регулирующих органов и другие причины, которые могут нарушить равновесие, являются возмущающими воздействиями. Регулирующим воздействием

Рисунок 16 – Автоматическая система регулирования давления в рабочем пространстве методической печи

служит тяга, изменяя которую всегда можно восстановить равновесие, установить требуемое давление в рабочем пространстве печи. Таким образом, замкнутая автоматическая система регулирования является системой управления по отклонению регулируемой величины.

Автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в которой управляющее (регулирующее) воздействие вырабатывается в результате сравнения истинного значения управляемой (регулируемой) величины с заданным ее значением, называется автоматической системой регулирования (АСР). Очевидно, что в замкнутой АСР имеется полная взаимозависимость работы всех элементов системы друг от друга.

Современные АСР представляют собой сложные комплексы взаимодействующих друг с другом технических устройств и элементов, которые работают на различных физических принципах (механических, электрических, гидравлических, пневматических) и обладают различным конструктивным исполнением и техническими характеристиками. Физическая природа регулируемой величины, устройство и назначение объекта регулирования также могут быть различные.

При изучении теории автоматического регулирования основное внимание уделяется не техническим свойствам отдельных элементов, а функциям, выполняемым ими в АСР, характеру связей между ними, математическому описанию происходящих в них физических процессов. Наглядное представление об этом дают функциональные и структурные схемы АСР.