Системы автоматического регулирования

В такой системе непрерывно идет обмен информацией между объектом и регулятором, воздействие передается от одного эле­мента регулятора к другому, последовательно меняя при этом свою физическую природу и уровень. Сформированное в результате регулирующее воздействие по своей природе может быть различно. Если, например, объект — электродвигатель привода подачи электродной проволоки, то регулирующее воздействие должно быть напряжением, подаваемым на его якорь; для сварочного источника питания регулирующее воздействие — это ток или напряжение, изменяемые в цепи управления.

Именно САР противодействует возмущениям, компенсирует, нейтрализует или ослабляет их вырабатываемыми встречными регулирующими воздействиями, обеспечивая заданное на каждый момент времени состояние объекта. Регулирование продолжается до тех пор, пока ошибка не становится меньше порога чувствительности системы.

Разнообразные САР отличаются одна от другой функциональными возможностями, принципами построения, конструктивной реализацией. По роду используемой энергии САР делят на электромеханические, электронные, пневматические, гидравлические, а также смешанного типа — электропневматические, электрогидравлические и др.

Все многообразие входящих в различные системы автоматики элементов по функциональному назначению может быть сведено в обобщенную функциональную схему САР (рисунок 5.4), состоящую из устройств, узлов, элементов, каждый из которых исполняет свою функцию в системе и графически изображается прямоугольниками, а также из связей между ними, изображаемых стрелками, указывающими направление прохождения сигналов (информации). Регулятор в таких схемах представляют в развернутом виде, а объект часто вообще опускают. Рассмотрим элементы САР.

Р — регулятор; ЗУ — задающее устройство; СЭ — сравнивающее устройство; ИЭ — измерительный преобразователь; Д — датчик; УП — усилитель-преобразо­ватель; КУ — корректирующее устройство; ИУ — исполнительное устройство; КОС — корректирующая обратная связь; О — объект; ГОС — главная обратная связь;

g(t) — задающее воздействие; f(t) — возмущение; x(t) — регулируемая величина; x₁(t), x_ε(t) — сигнал и ошибка регулируемой величины; y(t) — регулирующее воздействие; y₁(t) — сигнал регулирующего воздействия; r(t) — дополнительное воздействие

Рисунок 5.4 – Функциональная схема системы автоматического регулирования

1. Датчик, или измерительный преобразователь (элемент ИЭ), измеряет действительную регулируемую величину x(t) и преобразует ее в сигнал х₁(t), удобный для дальнейшего использования (чаще всего в ток или напряжение).

2. Задающее устройство (ЗУ) формирует требуемое на каждый момент времени задающее воздействие g(t) в удобном для сравнения с х₁(t) виде, имитирующее заданное значение регулируемой величины x(t).

4. Усилитель или усилитель-преобразователь (УП) усиливает и преобразует сигнал ошибки до величины y₁(t), достаточной и пригодной для управления исполнительным устройством (ИУ), преобразует входной сигнал количественно и (или) качественно, согласует вход исполнительного устройства с выходом СЭ по роду используемой энергии.

5. Исполнительное устройство под воздействием y₁(t) вырабатывает регулирующее воздействие y(t), поступающее на регулирующий орган (РО) объекта управления (О).

6. Корректирующее устройство (КУ) включают последовательно или параллельно названным элементам (на схеме показан пос­ледний вариант). Его назначение — улучшить качество регулиро­вания объекта с помощью формирующихся в них дополнитель­ных воздействий r(t).

Если выбранный для контролируемой системы параметр достаточно полно характеризует объект, то можно считать, что задача регулирования — поддерживать регулируемую величину на за­данном уровне. Это позволяет при дальнейшем рассмотрении САР не изображать на функциональных схемах объект.

Некоторые элементы автоматической системы в отдельных случаях могут отсутствовать, но главная обратная связь (ГОС) должна функционировать всегда, ибо с ее помощью выявляется соответствие действительного состояния объекта регулирования состоянию, заданному на данный момент времени. Наличие ГОС — основной признак САР.

Автоматическое регулирование — это автоматическое поддержание заданной регулируемой величины (переменной состояния) объекта путем постоянного контроля его состояния и действующих на него возмущений, а также регулирующего воздействия (при необходимости) на его регулирующий орган.

Управляющее воздействие может быть неизменным (системы автоматической стабилизации), в этом случае его называют установкой (например, система автоматического поддержания напряжения дуги путем изменения ее длины в установках аргонодуговой сварки неплавящимся электродом; система поддержания напряжения дуги путем изменения скорости подачи электродной проволоки в аппаратах для дуговой сварки типа АДС-1000-4; система поддержания постоянства частоты вращения обечайки, в которой фактическая скорость измеряется тахогенератором).

В системах программного регулирования управляющее воздействие изменяется программным устройством по заранее назначенной программе в функции времени или перемещения (положения). Такие системы используют, например, для регулирования параметров режима сварки (тока, скорости сварки, скорости подачи проволоки, амплитуды или частоты поперечных колебаний электрода) в зависимости от пространственного положения электрода в установках для сварки неповоротных стыков труб; в электрогазорезательной машине «Кристалл» с программным управлением, предназначенной для газовой или газоэлектрической резки листов из стали или цветных сплавов.

Если САР вместо функциональной зависимости воспроизводит на выходе изменения входного воздействия, причем чаще на более высоком уровне мощности (т.е. реализует простую пропорциональную зависимость), а управляющее воздействие заранее неизвестно, произвольно, то такую САР называют следящей системой. Их применяют при электронно-лучевой, а особенно при дуговой сварке стыков большой протяженности (или криволинейных) для автоматической ориентации электрода относительно изделия, когда уход стыка из-за коробления и дефектов сборки заранее неизвестен. Используют следящие системы в сварочных манипуляторах и роботах.

Известны также САР, обеспечивающие изменение регулируемой величины по производной, интегралу или более сложной функции от задающего воздействия и др.

Поэтому принципы построения систем автоматического управления (САУ) вполне пригодны для различных по своей физической природе объектов управления. Если возмущающее воздействие при работе объекта может быть измерено в любой момент времени, то задача управления объектом может быть решена с помощью принципа компенсациивозмущения, действующего на систему (принцип разомкнутого управления по выходному параметру объекта). Этот принцип предполагает управление, основанное на возможности измерения возмущений f_n, действующих на объект управления, и их компенсации через СУ (рисунок 5.6).

W_f и W_u — передаточные функции объекта соответственно по возмущению и по управлению; х₀ — установленное значение регулируемой величины; f(t) — возмущение; x(t) — регулируемая величина; x_ε(t) — ошибка регулируемой величины;

Рисунок 5.5 – Схема воздействий на объект управления

БК1. БКn — блоки компенсации; W_к1. W_кn — передаточные функции блоков компенсации; W_f и W_u — передаточные функции объекта соответственно по возмущению и по управлению; х₀ — установленное значение регулируемой величины; u₁. и_n — управляющие воздействия; f(t) — возмущение; x(t) — регулируемая величина; x_ε(t) —ошибка регулируемой величины

Рисунок 5.6 – Структурная схема системы управления по возмущению

Примером построения САУ по принципу компенсации является система регулирования напряжения в сварочном трансформаторе с помощью контроля изменения напряжения питающей сети U_c (рисунок 5.7).

БТУ — блок тиристорного управления; БС — блок сравнения; L — индуктивность; U₀ — эталонная уставка по напряжению сети; U_y — сигнал управления; Û_ст — напряжение со вторичной обмотки трансформатора Т, I_д — ток дуги

Рисунок 5.7 – Система регулирования напряжения в сварочном трансформаторе при возмущении по напряжению сети U_c

Принцип компенсации обеспечивает высокое быстродействие системы регулирования. Однако при построении таких систем обычно ограничиваются выделением и компенсацией небольшого числа возмущений, играющих основную роль в отклонении регулируемой величины объекта от ее заданного значения, оставляя некомпенсированными все остальные возмущения.

Для устранения этого недостатка в теории построения СУ более широко применяют принцип обратной связи. Этот принцип предполагает управление, основанное лишь на изучении отклонения х_ε регулируемой величины х от ее заданного значения х₀ и непосредственно не связанное с измерением возмущений f₁. f_n, действующих на объект регулирования.

Для построения структурной схемы САУ замкнутой ОС (рисунок 5.8) необходимо, в отличие от САУ по возмущению (см. рисунок 5.6) лишь одно управляющее устройство — регулятор Р_ос с передаточной функцией W_oc

индекс ОС относится к блоку обратной связи; W_f1 и W_fn — передаточные функции объекта соответственно по возмущению и по управлению; х₀ — установленное значение регулируемой величины; f(t) — возмущение; x(t) — регулируемая величина; x_ε(t) — ошибка регулируемой величины; u — управляющее воздействие

Рисунок 5.8 – Структурная схема системы управления с обратной связью (принцип управления по отклонению)

К недостаткам принципа обратных связей следует отнести затруднения, возникающие в процессе разработки быстродействующих САУ, особенно для сложных инерционных объектов. Стремление повысить точность работы таких систем и увеличение коэффициента усиления регулятора Р₀с могут привести к потере устойчивости.

Пример применения принципа ОС в САУ сварочными процессами приведен на рисунке 5.9. Регулируемая величина в данном случае — ширина обратного валика b. Измерительное устройство величины b — это фотодатчик, устанавливаемый с обратной стороны изделия, при расплавлении последнего дугой.

ФД — фотодатчик контроля проплавления; УП — усилитель-преобразователь; УИП — управляемый источник питания дуги; СГ — сварочная горелка; U_фд — напряжение фотодатчика; Ф — световой поток; БС — блок сравнения; U₀ — эталонная уставка по напряжению сети; U_y — сигнал управления; I_д — ток дуги

Рисунок 5.9 – Система регулирования значения b — ширины обратного валика с фотодатчиком в цепи обратной связи

Недостатки САУ с ОС можно устранить созданием комбинированных автоматических систем управления, объединяющих оба отмеченных принципа управления (рисунок 5.10).

1 и 2 — контуры регулирования по возмущению и отклонению; Р_к — регулятор в блоке компенсации; Р_ос — регулятор в цепи обратной связи; х_к— сигнал компенсации; индекс ОС относится к блоку обратной связи; х₀ — установленное значение регулируемой величины; f(t) — возмущение; u — управляющее воздействие;

Рисунок 5.10 – Принципы комбинированного управления

В подобных комбинированных системах основная тяжесть компенсации главного возмущения f, действующего на систему, ложится на регулятор Р_к. Точный регулятор Р_oс подавляет или ослабляет остальные возмущения, действующие на объект, и приводит действительное значение регулируемой величины х к заданной х₀. Пример использования комбинированного управления в сва­рочных установках приведен на рисунке 5.11. Принцип компенсации реализован в контуре 1, формирующем систему стабилизации напряжения на дуге U_aпри возмущениях по длине дуги l_д (при регулировании использована линейная связь U_д= кl_д). Контур 2 построен по принципу работы системы, представленной на рисунке 5.9. Регулируемая величина — это ширина обратного валика b.

1 и 2 — контуры регулирования по возмущению (длине дуги l_д) и отклонению (ширине обратного валика b); УУ1 — привод перемещения СГ по вертикали; УУ2 — устройство управления параметрами УИП по сигналу от датчика проплавления (ДП); U_вэ — уставка номинального параметра b; U_д.э — уставка по напряжению дуги; U_дп — сигнал на выходе ДП; УИП — управляемый источник питания дуги; СГ — сварочная горелка; Ф — световой поток; БС — блок сравнения; I_д — ток дуги.

Рисунок 5.11 – Система комбинированного управления параметрами сварочного процесса

Источник

автоматическое регулирование

Полезное

Смотреть что такое «автоматическое регулирование» в других словарях:

автоматическое регулирование — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва] Тематики электротехника, основные понятия EN automatic controlautomatic regulationself adjusting … Справочник технического переводчика

автоматическое регулирование — automatinis reguliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. automatic control vok. automatische Regelung, f; Selbstregelung, f; selbsttätige Regelung, f rus. автоматическое регулирование, n pranc. réglage automatique, m … Automatikos terminų žodynas

автоматическое регулирование — automatinis reguliavimas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Techninio vyksmo parametrų pastovumo išlaikymas automatizuotomis arba kompiuterinėmis sistemomis. atitikmenys: angl. automatic control vok. automatische Regelung … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

автоматическое регулирование — automatinis reguliavimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Technologinio proceso parametrų pastovumo palaikymas automatizuotomis sistemomis, mikroprocesoriais. atitikmenys: angl. automatic control rus. автоматическая регулировка;… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

автоматическое регулирование — (синтез систем). Практически все этапы и режимы функционирования летательного аппарата сопровождаются (обеспечиваются) автоматическим регулированием. Регулируются как параметры полёта (в том числе координаты), так и параметры режима силовой… … Энциклопедия «Авиация»

автоматическое регулирование — (синтез систем). Практически все этапы и режимы функционирования летательного аппарата сопровождаются (обеспечиваются) автоматическим регулированием. Регулируются как параметры полёта (в том числе координаты), так и параметры режима силовой… … Энциклопедия «Авиация»

автоматическое регулирование концентрации борного раствора на АЭС — автоматическое регулирование концентрации раствора борной кислоты на АЭС — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом Синонимы автоматическое регулирование концентрации раствора борной кислоты … Справочник технического переводчика

автоматическое регулирование напряжения — [В.А.Семенов. Англо русский словарь по релейной защите] 9.8.1. Регулирование напряжение в системах электроснабжения промышленных предприятий, в основном, должно обеспечиваться применением трансформаторов и автотрансформаторов с автоматическим… … Справочник технического переводчика

автоматическое регулирование частоты и активной мощности — АРЧМ Автоматическое изменение мощности энергетических агрегатов при изменении частоты напряжения сети в целях обеспечения баланса между генерируемой и потребляемой мощностями в нормальных и аварийных режимах энергетической системы. [ОАО РАО… … Справочник технического переводчика

автоматическое регулирование величины рН — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN automated рН control … Справочник технического переводчика

Источник

Автоматическое регулирование и управление

В современном мире очень трудно найти технологический процесс, который не был бы автоматизирован. Автоматизация любого технологического процесса подразумевает его контроль, управление, регулирование, сигнализацию, защиту и блокировку. В этой статье рассмотрим основы автоматического управления и регулирования.

В окружающем нас мире повсюду протекают различные процессы управления. В управлении нуждается всё: физический или химический процесс, отдельная технологическая установка, производство в целом, промышленность и так далее. Даже общественные отношения. Управление на сегодняшний день является самым сложным видом человеческой деятельности.

Нет такой отрасли промышленности, где бы не применялись системы автоматического регулирования и управления. Эти системы разнообразны и по характеру решаемых ими задач и по исполнению.

Автоматическое регулирование

Регулирование – это поддержание постоянным значения некоторой заданной величины, характеризующей процесс, или изменение его по заданному закону, осуществляемое с помощью изменения состояния объекта или действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта.

Системы автоматического регулирования (САР) предназначаются для автоматического поддержания заданного режима технологического процесса или изменения его во времени по заранее заданному или задаваемому в зависимости от каких-то условий закону. При этом имеется в виду, что внешние условия нарушают заданный закон протекания процесса, а система автоматического регулирования стремится его выполнить, преодолевая влияние внешних факторов.

Под объектом регулирования понимают аппарат (станок, машину), в котором один или несколько физических параметров должны изменяться по заданным законам при любых возможных внешних условиях. Объектом регулирования могут быть:

нагревательная печь, в которой температура должна оставаться постоянной или изменяться по заданному закону;

бак, в котором должен поддерживаться заданный уровень жидкости при изменениях ее расхода из бака;

электрический двигатель, скорость которого должна оставаться постоянной при изменениях момента сопротивления.

Физические величины, закон изменения которых осуществляется автоматическим устройством, называются регулируемыми величинами. Устройство, автоматически поддерживающее заданный закон изменения регулируемой величины, называется автоматическим регулятором.

Заданный закон изменения регулируемой величины вырабатывается специальным задающим устройством (задатчиком). Воздействие задатчика на регулятор называется задающим воздействием.

Автоматический регулятор постоянно сравнивает текущее значение регулируемой величины с заданным (уставкой) и при наличии рассогласования вырабатывает регулирующее воздействие. Если регулируемая величина отклоняется от заданного значения, управляющий орган воздействует на исполнительный механизм так, чтобы рассогласование между заданным и действительным протеканием процесса было ликвидировано. Человек в эту систему непосредственно вмешаться не может, возможно только косвенное участие – посредством изменения уставки.

Нарушение заданного закона протекания технологического процесса происходит в основном из-за внешних воздействий на объект, которые называют возмущающими воздействиями. К ним относятся изменения момента сопротивления на валу двигателя, расхода воды из бака, качества топлива или массы нагреваемых изделий в печи и т. д.

Чаще всего устройства автоматического регулирования — системы замкнутые (управление по отклонению). Сигнал, появившись в любой точке замкнутого контура, проходит все звенья системы и возвращается в место своего возникновения (в преобразованном виде). Но бывают и разомкнутые системы (управление по возмущению).

В результате этого в системах регулирования могут возникать колебания, в том числе колебания регулируемой величины. Если колебания возрастают, система называется неустойчивой и является неработоспособной. Поэтому первое требование к системам автоматического регулирования — обеспечение устойчивости регулирования, т. е. обеспечение затухания колебаний, возникающих в системе.

Необходимо также, чтобы выведенная из состояния равновесия возмущающими воздействиями система регулирования вернулась к заданному положению равновесия возможно точнее и возможно быстрее. Пути построения систем, отвечающих перечисленным требованиям, определяет теория автоматического регулирования.

Системы автоматического регулирования делятся по характеру задающего воздействия. Когда регулируемая величина должна быть постоянна, то систему называют системой автоматической стабилизации (или просто системой регулирования). Сюда относятся системы сохранения уровня воды в баке, скорости вращения двигателя и др.

Если регулируемая величина изменяется и заранее известен закон (программа) изменения задающего воздействия, система называется системой программного регулирования. Она может, например, осуществлять автоматическое изменение температуры в печи по заранее заданной программе.

Если регулируемая величина изменяется, но заранее не известен закон изменения задающего воздействия, систему регулирования называют следящей системой. К следящим системам в известном смысле можно отнести автоматические потенциометры и мосты.

В автоматическом потенциометре реверсивный двигатель через ползунок реохорда воздействует на измерительный мост так, чтобы напряжение на выходе позднего изменялось соответственно всем изменениям термо-э. д. с. Очевидно, что термо-э. д. с. изменяется по закону, неизвестному заранее, иначе не нужен был бы сам измерительный прибор.

Характер воздействия регулирующего органа на объект бывает непрерывным и прерывистым. Последнее происходит, когда в системе регулирования применяются реле или специальные импульсные устройства.

Простейшими регуляторами прерывистого действия являются двухпозиционные регуляторы. Такое название они получили потому, что их регулирующий орган может занимать только два положения (позиции). Очень часто эти позиции соответствуют максимальной и минимальной подаче сырья или энергии в объект.

При так называемом трехпозиционном регулировании регулирующий орган может занижать три положения, соответствующие трем значениям регулируемой величины: «мало», «норма», «больше».

Для регулирования непрерывных процессов наиболее часто используют физические или программные ПИД-регуляторы.

Автоматическое управление

Управление – это процесс выработки управляющих воздействий по переводу объекта управления в желаемое состояние.

Более полное определение: это осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления. Эти последние слова в данной ситуации являются ключевыми.

Система автоматического управления отличается от системы автоматического регулирования тем, что при одних и тех же значениях входных величин, т.е. при одной и той же исходной информации воздействие, которое вырабатывает система может быть различно в зависимости от того, какая цель или какой критерий управления в нее заложен.

Назначение систем автоматического управления (САУ) — исключить участие человека в управлении технологическим процессом. Функции человека сводятся к осуществлению пускового импульса. Все остальные операции по управлению процессом, по изменению режимов работы производятся автоматическим устройством.

Устройства автоматического управления воздействуют на исполнительные механизмы, приводы рабочих агрегатов, которые изменяют подачу сырья, энергии в аппараты, производят перемещения обрабатываемых изделий и т. д.

При автоматическом управлении автоматическое устройство обеспечивает необходимую последовательность, начало и окончание отдельных операций, составляющих рабочий процесс. Подача командного импульса на управляющий орган осуществляется человеком. Управляющий орган воздействует на исполнительный механизм, который подает сырье или энергию в аппарат или производит определенную серию механических перемещений, операций, поддерживая тем самым заданный режим работы установки.

Автоматизированная система управления (АСУ) – совокупность математических методов, технических и программных средств, организационных комплексов, а также управленческого и обслуживающего персонала, которые совместно осуществляют рациональное управление объектом управления в соответствии с поставленной целью.

Эта система обычно содержит большое количество датчиков, позволяющих измерять различные параметры, большое количество исполнительных устройств, причем их количество необязательно должно совпадать с количеством датчиков.

Основным элементом этой системы является управляющее устройство (контроллер), в который заложена программа обработки, информации получаемой с датчиков и критерий управления, исходя из которого система управления и вырабатывает различные управляющие воздействия. При одном и том же значении контролируемых параметров управляющее воздействие в данном случае может быть различным.

В то время электрические реле являлись наиболее распространенными элементами электроавтоматики. Они применялсь во всех схемах автоматического контроля, защиты, управления и регулирования.

Основная особенность реле — возможность управления достаточно большими мощностями в исполнительных механизмах с помощью незначительных управляющих сигналов от датчиков. Коэффициент усиления реле по мощности может достигать значений десятков тысяч.

По мере того, как технологические процессы усложнялись, количество регуляторов на объектах автоматизации росло и системы становились очень громоздкими и тяжелыми в обслуживании, поэтому после появления компьютерных систем управления (микроконтроллеры, микропроцессоры, программируемые логические контроллеры) системы автоматического регулирования стали замещаться системами автоматического управления.

Обучение построению автоматических систем регулирования и управления

Курс по программированию контроллеров:

Дополнение Михаила Алексеева (FB)

В сети можно встретиться с таким определением: Автоматическое регулирование – поддерживание на постоянном уровне или изменение по заданному закону отдельных регулируемых параметров (температура, давление, расход и т.д.) в объекте управления. Система автоматического регулирования (САР) является подсистемой систем автоматического управления.

А Википедия конкретизирует, что САР включает следующие системы:

Источник