Лекция 3. Структурная схема системы автоматического регулирования одной величины

Структурная схема системы автоматического регулирования одной величины.

Взаимодействие элементов системы принято изображать с помощью структурных схем, на которых элементы показываются простыми геометрическими фигурами, а связи между ними - соединительными линиями со стрелками, показывающими направление передачи сигнала.

Рис. 2.1. Элемент системы автоматического регулирования с одной входной и одной выходной величинами.

В любом элементе системы (рис. 2.2) можно выделить т физических величин (переменных), воздействующих на этот элемент и называемых входными величинами х_вх1,х_вх2,…,х_вх_m (группа входных величин ).

На выходе элемента имеется n величин x_вых1, x_вых2,…, x_вых_n, характеризующих результаты протекающих в нем процессов и называемых выходными величинами (на рис 2.2 группа выходных величин ).

Рис. 2.2. Элемент системы автоматического регулирования с несколькими входными и выходными величинами.

Каждая входная величина воздействует на одну или несколько выходных величин; в общем случае . В простейших случаях элемент имеет одну входную и одну выходную величины (рис.2.1) и значение х_вых полностью определяется значением х_вх.

Обычно через данный элемент существует однонаправленность воздействия (элемент обладает детектирующими свойствами), т.е. х_вх оказывает влияние на х_вых, но не наоборот. В более сложных случаях выходная величина элемента х_вых может оказывать обратное воздействие на его вход. При этом говорят о наличии обратной связи, которая на структурной схеме (рис. 2.3) представлена элементом обратной связи (ОС).

O.С

Рис 2.3. Элементы системы автоматического регулирования с обратной связью.

Обратная связь называется положительной, если ее введение увеличивает значение выходной величины х_вых (по сравнению со значением х_вых без обратной связи) и отрицательной, если уменьшает значение х_вых. При положительной обратной связи выходная величина элемента обратной связи х_о.с. суммируется с входной величиной х_вх, при отрицательной – вычитается. Таким образом, входная величина основного элемента при введении обратной связи:

На рисунках 2.4.-2.6. показаны структурные схемы простейшего объекта регулирования и регулятора.

Рис. 2.4. Структурная схема объекта регулирования с несколькими входными величинами

На вход объекта регулирования (рис 2.4) поступают два типа величин х_вх:

- внешние возмущающие воздействия (возмущения) z;

- и регулирующие (управляющие) воздействия у.

Возмущающими называются воздействия, которые выводят объект из состояния равновесия, т.е. нарушают его материальный или энергетический баланс.

Регулирующие (управляющие) воздействия представляют собой воздействия, восстанавливающие прежнее равновесие объекта или переводящие его в новое состояние равновесия.

В технических объектах и возмущающие, и регулирующие воздействия сводятся к изменению подачи (отвода) вещества или энергии, только первые возникают стихийно, вторые осуществляются целенаправленно. Совершенно очевидно, что для осуществления регулирующих воздействий требуются соответствующие ресурсы вещества или энергии, без которых управление невозможно.

Выходная величина объекта х характеризует состояние объекта и называется регулируемой (управляемой) величиной (в общем случае объект регулирования имеет много входных и выходных величин – многомерный объект, как на рис 2.2).

Таким образом, на вход объекта поступают два типа входных величин z и y, действующих по разным каналам.

В простейших случаях, когда и возмущающее z=у_В, и регулирующее y воздействия осуществляется по одному каналу, объект регулирования можно свести к элементу с одной входной (y₁= y+у_В) и одной выходной величиной (рис.2.5.), называемому одномерным объектом.

Объект регулирования

Рис. 2.5. Структурная схема одномерного объекта регулирования:

x – регулируемая величина

z=y_в – возмущающее воздействие;

у – регулирующее воздействие.

Объект регулирования может быть разделен на более простые элементы, отличающиеся по выполняемым функциям (рис 2.6.);

· регулируемый участок (собственно технологический процесс или агрегат);

· чувствительный элемент, дающий информацию о значении регулируемой величины;

· преобразующий элемент, предназначенный для преобразования сигнала чувствительного элемента в более удобную форму по величине или физической природе;

· регулирующий орган, предназначенный для реализации регулирующего воздействия y на объекте.

ЧЭ

РУ

ПЭ

РО

Z Х

Рис. 2.6. Развернутая структурная схема объекта регулирования:

РО – регулирующий орган;

РУ – регулируемый участок;

ЧЭ – чувствительный элемент;

ПЭ – преобразующий элемент.

Чувствительный и преобразующий элементы образуют датчики систем автоматики.

Объекты регулирования, которые возможно характеризовать значением регулируемой величины x в одной точке пространства, называются объектами регулирования с сосредоточенными параметрами.

Некоторые другие объекты необходимо характеризовать значением регулируемой величины x в нескольких точках пространства (температура металла по длине зоны вторичного охлаждения в МНЛЗ, давление газов по высоте доменной печи) или распределенными в пространстве регулирующими воздействиями. Такие объекты называются объектами с распределенными параметрами.

Хо

Х ε Y

Рис. 2.7. Структурная схема регулятора:

у – регулирующее воздействие;

х - регулируемая величина;

х₀ – заданное значение регулируемой величины;

ε – отклонение регулируемой величины х от заданного значения х₀..

На рис 2.7 представлена структурная схема регулятора, который имеет одну выходную величину у (регулирующее воздействие) и две входные - регулируемую величину x и заданное значение регулируемой величины x₀ (задающее воздействие). Величины x и x₀ сравниваются между собой, и вырабатывается одна входная величина ε = x₀ –x, называемая отклонением регулируемой величины от заданного значения.

Величина ε(t) называется также ошибкой регулирования и имеет размерность регулируемой величины.

ИМ

ПЭ

СЭ

ЗЭ

х₀ ε Y

Рис 2.8. Развернутая структурная схема регулятора:

ЗЭ – задающий элемент;

СЭ – сравнивающий элемент;

ПЭ – преобразующий элемент;

ИМ – исполнительный механизм.

Регулятор (рис 2.8.) состоит из нескольких функциональных элементов и включает в себя:

· задающий элемент (задатчик), позволяющий вручную установить заданное значение регулируемой величины x₀;

· сравнивающий элемент, вырабатывающий величину отклонения ε = x₀ – x;

· преобразующий элемент, преобразующий величину отклонения ε в соответствии с законом регулирования, реализуемом регулятором;

· исполнительный механизм, предназначенный для оказания регулирующего воздействия у на объект.

Часто задающий и сравнивающий элементы не включают в структуру регулятора, и он состоит только из преобразующего элемента и исполнительного механизма. При этом входной величиной регулятора становится отклонение ε = x₀ –x регулируемой величины от заданного значения, а выходной величиной остается положение выходного вала исполнительного механизма у, обычно выражаемое в процентах его полного хода.

Выходной вал исполнительного механизма сочленен с регулирующим органом и перемещению выходного вала исполнительного механизма соответствует перемещение регулирующего органа. При этом выходная величина регулятора, выраженная в относительных единицах (% полного хода выходного вала исполнительного механизма), равна входной величине объекта регулирования, выраженной также в относительных единицах (% полного хода регулирующего органа) и поэтому обозначаются одинаково – у.

Если соединить объект и регулятор на структурной схеме в соответствии с принятыми обозначениями величин, то получится структурная схема системы автоматического регулирования одной величины (рис. 2.9).

Z 1

Y X

ЗЭ

Y ε X₀

3 2 4

Рис 2.9. Структурная схема САР одной величины в укрупненном виде.

В сравнивающий элемент 2 поступает регулируемая величина x - выходная величина всей системы регулирования и объекта регулирования 1. Также в сравнивающий элемент 2 поступает заданное значением регулируемой величины x₀, которое вручную устанавливается задатчиком 4. В сравнивающем элементе происходит сравнение этих сигналови вырабатывается величина отклонения

ε =x₀ –x. Регулятор 3, получая сигнал отклонения ε = x₀ –x, в соответствии с законом регулирования (алгоритмом управления) вырабатывает регулирующее воздействие у, которое поступает на вход объекта регулирования 1. Это регулирующее воздействие соответствует перемещению выходного вала исполнительного механизма и равно перемещению регулирующего органа. Оно направлено на уменьшение и, в конечном итоге, на устранение отклонения ε, возникающего в результате возмущающих воздействий z.

В рассматриваемой системе автоматического регулирования существует замкнутый контур регулирования, в котором регулятор 3 осуществляет отрицательную обратную связь. Такие САР называют замкнутыми системами или системами с регулированием по отклонению.

Роль человека в такой системе сводится только к установке задания регулятору; в остальном, стабилизация регулируемой величины (поддерживание заданного значения x₀) осуществляется без участия человека, т.е. автоматически.

На рис 2.10. показана структурная схема той же системы автоматического регулирования в развернутом виде с указанием функциональных элементов объекта регулирования и регулятора (сравнивающий и задающий элементы не включены в состав регулятора).