Характеристики звеньев САР

Система автоматического регулирования представляет собой совокупность отдельных элементов и технических средств: датчи­ков, усилителей, преобразователей, запоминающих устройств, исполнительных механизмов и рабочих органов. В автоматике каж­дое из них называют звеном и рассматривают с точки зрения их реакции на входное воздействие.

Реакция может быть различной. Например, изменение сигнала на входе электронного усилителя, работающего в линейном ре­жиме, приводит к пропорциональному изменению сигнала на его выходе, следовательно, электронный усилитель — пропорциональ­ное звено.

Изменение сигнала на входе исполнительного механизма, на­пример электрического двигателя, приводит обычно к плавному изменению частоты вращения до нового значения. Так проявля­ются инерционные свойства двигателя, следовательно, электри­ческий двигатель — инерционное звено.

При этом не имеет значения, какова физическая природа зве­ньев или их конструктивное исполнение, главное — как изменя­ется выходная величина А"_вых(0 при том или ином воздействии X_m(t) на входе звена.

Отношение выходной величины к входной называется переда­точной функцией, а характер изменения выходной величины во времени при прямоугольном воздействии на входе звена (пере­ходной процесс) называется переходной характеристикой звена. Если известна переходная характеристика, то можно вычислить реакцию звена на любое входное воздействие и прогнозировать поведение системы.

68

 

 

В системах автоматического регулирования различают пять ти­пов звеньев:

•         пропорциональное;

•         инерционное;

•         интегрирующее;

•       дифференцирующее;

•         колебательное.

В пропорциональном звене выходная величина повторяет без искажений и запаздывания входную величину (рис. 3.10, а). В ка­честве примеров пропорциональных звеньев можно привести де­литель напряжения, состоящий из двух резисторов (напряжение на каждом резисторе в точности повторяет напряжение, подан­ное на делитель, но меньше его по значению); рычаг (перемеще­ние одного конца рычага повторяет в масштабе перемещение дру­гого его конца).

В инерционном звене при скачкообразном изменении входной величины выходная величина стремится к новому установивше­муся значению по экспоненциальному закону (рис. 3.10, б). Этот закон выражает инерционность звена, которая приводит к задер­жке реакции звена на внешнее воздействие.

В реальных звеньях инерционность обусловлена наличием в звене большой массы, момента инерции или электрической емкости. Например, чем больше момент инерции ротора двигателя, тем дольше он будет разгоняться до установившейся частоты враще­ния при подаче на него напряжения питания в качестве входного воздействия. Чем больше емкость конденсатора, тем дольше он будет заряжаться до величины приложенного напряжения.

В интегрирующем звене выходная величина пропорциональна интегралу от входной величины. Известно, что интеграл постоян­ной величины представляет собой линейно (т.е. равномерно) уве­личивающуюся или уменьшающуюся величину, причем чем боль­ше входная величина, тем больше скорость изменения выходной величины (рис. 3.11).

 

 

Если входная величина мгновенно изменяется от одного по­стоянного значения до другого, то выходная величина растет или убывает линейно с углом наклона, зависящим от скачка значения входной величины (например, напряжение на конденсаторе в электрической цепи изменяется пропорционально интегралу от тока заряда конденсатора, рассматриваемого как входное воздей­ствие).

В дифференцирующем звене выходная величина пропорциональна производной (дифференциалу) от входной величины. Производ­ная от любой величины, изменяющейся с течением времени, равна скорости ее изменения (рис. 3.12, а). Чем больше скорость измене­ния сигнала на входе, тем больше значение выходной величины. Если входная величина изменяется ступенчато (скачком), т.е. с огромной скоростью, то значение сигнала на выходе теоретичес­ки становится бесконечно большим. В действительности существу­ют различные причины, которые ограничивают и скорость изме­нения входного сигнала, и максимальное значение выходного сигнала. В качестве примера дифференцирующего звена можно привести ЛС-цепочку (рис. 3.12, б), состоящую из резистора и конденсатора и широко применяющуюся в электронике для по­лучения коротких импульсов.

 

 

В колебательном звене скачкообразное воздействие на входе приводит к колебаниям выходной величины относительно нового установившегося значения. На рис. 3.13, а показана реальная пе­реходная характеристика, отличающаяся наличием начального участка медленного нарастания выходной величины, что связано с неизбежной инерционностью реальных объектов. Если колеба­ния затухают, то звено является устойчивым.

В качестве примера можно привести пружинный амортизатор автомобиля: когда в кузов помещают груз, кузов вместе с грузом проседает и совершает несколько колебаний прежде, чем устано­вится в устойчивое положение. Инерционность звена проявляется в том, что, когда груз касается кузова, в первое мгновение из-за инерции они начинают движение вниз медленно, затем все боль­ше ускоряются под тяжестью груза и одновременно начинают воспринимать действие амортизатора. В качестве примера можно также привести колебательный контур, состоящий из конденсато­ра С и катушки индуктивности L (рис. 3.13, б). При подаче на эту цепь напряжения в ней возникают колебания, которые затухают тем быстрее, чем больше активное сопротивление катушки R.

Такое разнообразие характеристик звеньев позволяет создавать системы автоматического регулирования с различными воздей­ствиями на рабочие органы технологического процесса в зависи­мости от вида регулируемого параметра и влияния этого парамет­ра на свойства конечного продукта.

При отклонении регулируемого параметра от заданного значе­ния воздействие на рабочий орган организуют по одному из четы­рех законов регулирования:

•        интегральный (И-регулятор);

•        пропорциональный (П-регулятор);

•         пропорционально-интегральный (ПИ-регулятор);

•           пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД-регулятор).

Интегральный регулятор формирует воздействие на рабочий орган, которое линейно возрастает или убывает до тех пор, пока регулируемый параметр не вернется к заданному значению. Эти регуляторы наиболее просты в реализации, но процесс регулиро­вания носит колебательный характер и система может оказаться неустойчивой.

Пропорциональный регулятор воздействует на рабочий орган тем сильнее, чем больше отклонение регулируемого параметра от за­данного значения. Устойчивость таких регуляторов выше, чем ин­тегральных, но им свойственна так называемая статическая по­грешность, т.е. после отработки входного воздействия новое уста­новившееся значение параметра всегда немного отличается от за­данного.

Пропорционально-интегральный регулятор совмещает оба спо­соба регулирования. Рабочий орган воспринимает суммарное воз­действие, поэтому в ПИ-регуляторах достигается высокое быст­родействие, обеспечивается устойчивость регулирования и отсут­ствует статическая погрешность. Именно ПИ-регуляторы широко применяются при автоматизации технологических процессов.

В пропорционально-интегрально-дифференциальных регуляторах к воздействию на рабочий орган, формируемому ПИ-регулятором, добавляется составляющая, пропорциональная скорости измене­ния отклонения регулируемого параметра от заданного значения. Это обеспечивает наибольшую эффективность ПИД-регуляторов, но у них сложная наладка.

Реальные автоматические системы, ведущие технологические процессы, включают в себя системы и автоматического контро­ля, и автоматического управления, и автоматического регулиро­вания в самых различных сочетаниях и объемах. Обобщенная струк­турная схема комплекса технических средств автоматической сис­темы приведена на рис. 3.14. Здесь технологический процесс со­провождается:

•           контролем дискретных параметров (например, «нагреватель включен» или «наполнен седьмой резервуар»), воздействующих на соответствующие датчики (Д), сигналы которых через пере­ходные устройства (ПУ), устройства нормализации сигналов (УНС) и регистры или счетчики поступают на ЭВМ;

•         контролем аналоговых параметров (например, температуры, уровня, давления, расхода), воспринимаемых аналоговыми дат­чиками (Д), сигналы которых также через переходные устройства (ПУ), устройства нормализации сигналов (УНС), коммутатор (К), усилитель (У), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) посту­пают также на ЭВМ;

•      поддержанием отдельных параметров (на схеме — одного) на заданном уровне с помощью регулятора, в котором значение ре­гулируемого параметра с помощью датчика (Д) передается через

72

73

ПУ на регулирующее устройство (РУ), где сравнивается с сигна­лом от задатчика (3). Выходной сигнал РУ поступает (через ПУ) на исполнительный механизм (ИМ), который воздействует на рабочие органы (РО) таким образом, чтобы при нарушении рав­новесия вернуть параметр в исходное состояние;

• выработкой ЭВМ на основе анализа состояния технологиче­ского процесса и технологического оборудования дискретных уп­равляющих воздействий (например, «включить нагреватель № 2» или «открыть клапан № 5»), которые через выходные регистры и ПУ поступают на исполнительные механизмы (например, элект­ромагнитное реле или электромагнит) и приводят в действие дис-

кретные РО (например, электронагреватель или пневмоэлектро-клапан);

• выработкой ЭВМ на основе анализа состояния технологиче­ского процесса и технологического оборудования аналоговых уп­равляющих воздействий (например, «понизить уровень Н2» и «под­нять давление Р4»), которые через цифроаналоговый преобразо­ватель (ЦАП) и коммутатор поступают на запоминающие уст­ройства (ЗУ) и далее через

 

 

 

 

ПУ управляют работой ИМ (напри­мер, «включить электродвигатель ЭД2 против часовой стрелки на 1,2 с» и «переместить шток пневмопривода ПП4 на 0,64 мм), ко­торые, в свою очередь, приводят в действие аналоговые РО (на­пример, вентиль В2 и задвижку 34).

Оператор получает всю необходимую информацию о протека­нии технологического процесса и состоянии технологического оборудования (риг. 3.15). Она представляется ему в виде таблиц, графиков, диагра> м и мнемосхем как на экранах дисплеев, так и на бумажных нос елях.

Контрольные вопросы

1.            Сформулируйте понятие процесса.

2.             Что такое технологический процесс?

3.              В чем заключается смысл управления?

4.              Приведите примеры управляющих воздействий.

5.            Сформулируйте понятие сигнала.

6.               Какие сигналы и величины называются аналоговыми?

7.                Какие сигналы и величины называются дискретными?

8.             Сформулируйте понятие исполнительного механизма.

9.          Что такое датчик?

10.             Что понимается под каналом связи?

11.              Перечислите типы автоматических систем.

12.            Сформулируйте понятие системы автоматического контроля.

13.            Сформулируйте понятие системы автоматического управления.

14.          Сформулируйте понятие системы автоматического регулирования.

15.             Что понимается под технологическим параметром?

16.                   Что такое номинальные, регламентные и предельные значения технологического параметра?

17.                  Перечислите задачи, решаемые системой автоматического конт­роля.

18.               Поясните алгоритм работы системы автоматического контроля.

19.        Дайте понятие технических средств системы автоматического кон­троля.

20.                 Перечислите технические средства обработки аналоговых сигна­лов.

21.                Перечислите технические средства обработки дискретных сигна­лов.

22.              Каково назначение перечисленных технических средств?

                                         75

 

23.             Поясните алгоритм работы системы автоматического управления.

24.              Чем отличается алгоритм управления от алгоритма контроля?

25.            Назовите технические средства формирования аналоговых воздей­ствий.

26.            Назовите технические средства формирования дискретных воздей­ствий.

27.               Какова отличительная особенность системы автоматического ре­гулирования по сравнению с системой автоматического управления?

28.             Назовите два основных принципа регулирования.

29.           В чем суть принципа регулирования по отклонению?

30.            В чем суть принципа регулирования по компенсации?

31.              Какие задачи решает адаптивная система?

32.               Какие задачи решают следящая и программная системы?

33.             Что такое устойчивость системы автоматического регулирования?

34.          Дайте понятие звена в системе автоматического регулирования.

35.           Что такое переходная характеристика звена?

36.              Назовите пять основных типов звеньев.

37.             Охарактеризуйте поведение звеньев в переходном режиме.

38.          Поясните обобщенную структурную схему комплекса технических средств автоматической системы.

ГЛАВА 4 ДАТЧИКИ

Мы воспринимаем окружающий мир при помощи органов чувств. Органы зрения, слуха, обоняния преобразуют параметры окружающего мира в сигналы, передаваемые нервной системой головному мозгу — нашему управляющему устройству. Глаза, уши, нос — это наши датчики. Физические явления и процессы, про­текающие в них, не всегда нам понятны, но, скорее всего, они преобразуют получаемую извне информацию в электрические сигналы.

Датчики тоже преобразуют технологические параметры в элек­трические сигналы. Чтобы понять, как они это делают, рассмот­рим, как вообще можно получить электрическое напряжение.

Известно, что разность потенциалов (электрическое напряже­ние) может возникать:

•         между концами проводника при его движении в магнитном поле;

•     на гранях кристалла кварца при действии на него силы;

•       между свободными концами двух соединенных проводников из различных металлов при нагреве точки их контакта;

•       между двумя разнородными полупроводниками при освеще­нии зоны их контакта (р— «-перехода) и т.д.

Эти и подобные им явления лежат в основе работы датчиков различных параметров технологических процессов: скорости, силы, температуры, освещенности и др.