2.1.2 Принцип обратной связи (управление по отклонению)

При реализации управления по отклонению управляющее воздействие на ОУ вырабатывается как функция отклонения текущего значения управляемой величины y(t) от ее заданного значения y_зд(t), которое определяется задающим воздействием:

,

где k – коэффициент пропорциональности между величиной задающего воздействия x(t) и заданным значением управляемой величины y_зд(t), равный коэффициенту статического преобразования САУ. Схема управления содержит обратную связь, то есть управляемая величина с выхода системы подается на ее вход – такая обратная связь называется общей. Структурная схема системы является замкнутой (Error: Reference source not found–а). На входе системы элементом сравнения производится определение величины рассогласования e(t) между заданным и действительным значением управляемой величины:

.

Обратная связь такого типа называется отрицательной. Управляющие устройства в системах управления по отклонению работают таким образом, чтобы все время сводить рассогласование к нулю. Универсальность и эффективность принципа управления по отклонению состоит в том, что он позволяет реализовать заданный закон изменения управляемой величины y(t) независимо от того, изменение какого из входных воздействий – задающего x(t), внутреннего и внешнего возмущения f(t) – вызвало возникновение рассогласования. САУ по отклонению реагирует на интегрированное внешнее воздействие, проявляющееся в изменении управляемой величины.

К достоинствам САУ по отклонению относятся простота технической реализации, удовлетворительная точность управления, меньшая чувствительность к изменениям внутренних параметров системы.

К недостаткам систем с обратной связью следует отнести невысокое быстродействие, обусловленное тем, что действие системы направлено на ликвидацию рассогласования: САУ сначала допускает изменение управляемой величины под воздействием внешних или внутренних возмущений, а потом его ликвидирует. При управлении по отклонению влияние возмущающих воздействий на управляемую величину не устраняется, а только уменьшаются последствия этого влияния. Принцип ориентирован не на причину, вызывающую отклонение управляемой величины от заданного значения, а на следствие в виде возникающего рассогласования [1–3, 7].

Рассмотрим в качестве примера САУ по отклонению скоростью вращения привода исполнительного механизма (ИМ) технологической системы (Error: Reference source not found). Двигатели постоянного тока широко применяются в качестве промышленных электроприводов благодаря возможности плавного регулирования скорости (частоты) вращения за счет изменения напряжения на якорной обмотке при постоянном напряжении на обмотке возбуждения.

Целью управления в рассматриваемой САУ является обеспечение заданного значения скорости вращения исполнительного механизма _им(t).

Задатчиком желаемого значения скорости вращения является потенциометр (переменный резистор) – положение его подвижного контакта определяет величину задающего напряжения U_з(t) как долю от напряжения питания U_п(t). В качестве датчика используется тахогенератор –преобразователь мгновенного значения угловой скорости вращения вала в пропорциональный электрический сигнал:

,

где – коэффициент пропорциональности (статического преобразования) тахогенератора.

Разность напряжений (рассогласование) U(t) = U_з(t) – U_вых(t) подается на обмотку управления управляющего устройства – электромашинного усилителя, что приводит к изменению управляющего воздействия – напряжения якоря ДПТ U_я(t). Это приводит к изменению скорости вращения ротора ДПТ и, соответственно, к ликвидации рассогласования между действительным текущим значением скорости вращения ИМ и требуемым (заданным) значением. Заметим, что в качестве источника энергии для ДПТ может быть использован не только электромашинный усилитель, но и генератор постоянного тока или тиристорный преобразователь.

Возмущениями в данной САУ могут являться изменение момента нагрузки на валу двигателя, изменение коэффициента усиления электромашинного усилителя и т.д. [2, 9, 10].

Рассмотрим особенности управления по отклонению на примере диаграмм работы САУ скорости вращения ИМ (Error: Reference source not found).

До момента времени t₀ САУ уже некоторое время функционировала и пришла к установившемуся состоянию равновесия, которое описывается равенством заданного и реального значений скорости вращения ИМ, и, соответственно, равенством значений задающего напряжения и напряжения обратной связи, снимаемого с датчика скорости – тахогенератора:

U_з0 = U_вых0.

При этом величина рассогласования U = 0. Состояние равновесия сохраняется в системе до момента времени t_1.

В момент времени t₁ величина задающего напряжения в соответствии с алгоритмом управления возрастает до значения U_з1. Это приводит к нарушению равновесия в системе и возникновению рассогласования, которое имеет максимальное значение в момент ступенчатого изменения задающего воздействия:

.

Управляющее устройство – электромашинный усилитель – отработает возникшее рассогласование увеличением напряжения якоря двигателя и требуемое значение скорости вращения установиться за время переходного процесса t_p, определяемое инерционностью элементов САУ, а рассогласование снова станет равным нулю (см. Error: Reference source not found). Установленное равновесие будет сохраняться в системе до момента времени t₂, в который в системе начинает действовать некое возмущение. Предположим, что возмущение состоит в несанкционированном увеличении нагрузки на валу двигателя, т.е. до момента времени t₂ нагрузка имела номинальное значение, на которое рассчитана работа САУ, и возмущение в системе отсутствовало (f₀ = 0). Но в момент времени t₂ нагрузка начинает возрастать и за некоторое время достигает значения f₁.

Под действием возмущения начнет уменьшаться скорость вращения ИМ (см. Error: Reference source not found), а величина рассогласования согласованно возрастать, т.к. при постоянном значении задающего воздействия U_з1 с момента времени t₂ убывает величина U_вых(t). Но вне зависимости от причины возникновения рассогласования усилитель будет его отрабатывать изменением напряжения якоря. Скорость вращения ИМ вернется к заданному значению за время переходного процесса t_p, и к моменту времени t₂+t_p рассогласование снова станет равным нулю, т.е. система придет к состоянию равновесия:

.

Т.о. в САУ, реализованной по принципу управления по отклонению в процессе функционирования в течение переходного процесса имеет место динамическая ошибка управления, что обусловлено инерционностью элементов САУ по сравнению источником задающего воздействия. Однако в установившемся режиме статическая ошибка управления отсутствует, даже если предшествующий переходной процесс был вызван действием возмущения.

Важно заметить, что САУ по отклонению не способны ликвидировать последствия влияния вообще всех возмущений. Вышесказанное относиться только к тем возмущениям, последствия влияния которых устранимы управляющим воздействием САУ. Например, если в САУ управления скоростью вращения привода (см. Error: Reference source not found) произойдет разрыв обмотки возбуждения двигателя, то никакими средствами САУ ликвидировать последствия этого не удастся – двигатель остановится.

ПРИМЕРЫ других систем управления по отклонению.