И структурные схемы

Структура САР. Функциональные

Система автоматического регулирования укрупнено может быть представлена состоящей из двух основных частей:

- объекта регулирования (сокращенно - объекта), в котором происходит процесс, подлежащий регулированию;

- регулирующего устройства (сокращенно – регулятора), выполняющего функции измерения отклонения регулируемой величины от требуемого значения и преобразование его в регулирующее воздействие на объект, с помощью которого восстанавливается заданное состояние объекта.

Объектами регулирования могут быть различные устройства для осуществления производственных процессов, энергетические и силовые установки, летательные аппараты и транспортные механизмы, специальные установки и устройства, в которых осуществляется регулирование определенных физических величин по заданным законам управления. Проектирование систем автоматического регулирования начинается с детального изучения свойств и характеристик объекта регулирования. Объект регулирования является основным элементом в любой автоматической системе регулирования. На процесс регулирования оказывают влияние, как свойства регулирующей части системы, так и свойства самого объекта регулирования. Состояние любого объекта определяется рядом величин, или переменных, характеризующих как воздействие на объект внешней среды, так и протекание процессов внутри самого объекта. В первую очередь следует выделить регулируемые (выходные) величины (переменные). Величина, которую необходимо регулировать, т.е. поддерживать постоянной или изменять по заданной программе, называется регулируемой величиной. А устройство, предназначенное для выполнения задачи регулирования, называется автоматическим регулятором. Если регулируемая величина одна, то она представляется скаляром z, если же этих величин несколько, то удобно их представить компонентами некоторого выходного вектора или вектора состояния (рис.I.1). Например, если речь идет о поддержании заданной температуры в помещении, то регулируемой величиной является температура (скаляр). Для навигации летательного аппарата в качестве регулируемых величин обычно выбирается долгота, широта, высота полета, углы курса, крена и тангажа (вектор).

Рис.I.1. Переменные, характеризующие состояние

объекта регулирования.

Величины, выражающие внешние влияния на объект, носят название воздействий. Воздействия, вырабатываемые регулирующим устройством, называются управляющими величинами (полезным сигналами). Как и в предыдущем случае возможны скалярные х и векторныеуправляющие сигналы.

Воздействия на объект, не связанные с задачей регулирования и приводящие к нежелательным отклонениям управляемых величин, - называются возмущающими воздействиями, или возмущениями (также возможны случаи скалярного f и векторного возмущений). Возмущения можно подразделить на нагрузку и помехи. Наличие имеющейся во времени нагрузки обусловлено работой объекта, от нее объект принципиально не может быть защищен. Помехи бывают связаны, с нежелательными побочными явлениями и всякое уменьшение их улучшает работу объекта.

Величины в зависимости от природы объекта связаны различными математическими зависимостями. В общем случае

,

где А – оператор, определяющий вид зависимости. В простейшем случае, когда , т.е. оператор А есть функция

, (I.2.1)

объект называют статическим, а зависимости (I.2.1) или их графические изображения – статическими характеристиками объекта.

В состав регулирующего устройства входят измерительное, промежуточные и исполнительное устройства.

Автоматический регулятор включает в себя измерительное устройство, т.е. чувствительный элемент, реагирующий на отклонение регулируемой величины. Измерительное устройство воспринимает текущее значение регулируемой величины, сопоставляет его с заданным значением и выдает сигнал (воздействие) соответствующего знака, пропорциональный по величине разности измеренного и заданного значений регулируемой величины. Автоматический регулятор вместе с регулируемым объектом называется системой автоматического регулирования.

Сигнал, выданный измерительным устройством, не всегда может быть использован для непосредственного перемещения регулируемого органа из-за малой величины (мощности) или из-за несовпадения сигналов по физической природе. Поэтому между измерительным и исполнительным устройствами включаются промежуточные элементы.

Промежуточные устройства (элементы) преобразуют сигналы от измерительного элемента к такому виду и величине, которые обеспечивают надежную работу исполнительных механизмов. В зависимости от задач и конструктивного использования регулятора промежуточные элементы выполняют функции простого усиления сигнала, преобразования его к виду, необходимому для согласования работы элементов, имеющих различную физическую природу, или преобразования этих величин по закону, необходимому для обеспечения требуемого алгоритма функционирования (т.е. совокупности предписаний, ведущих к правильному выполнению технического процесса).

Исполнительное устройство (заключительная часть регулятора) состоит из привода и регулирующего органа. Назначение последнего – управлять количеством регулирующего фактора (например, количеством поступающей в двигатель энергии или массы). Исполнительное устройство вырабатывает воздействие на объект регулирования, которое восстанавливает требуемое значение регулируемой величины.

Наряду с основными элементами, не менее важную роль играют дополнительные, включаемые в систему для придания последней заданного качества, и связи между ними (элементами), осуществляющие передачу воздействий одного элемента на другой. Дополнительные элементы могут быть включены в систему с целью изменения только величины входного сигнала, т.е. используются в качестве обычных усилителей. Однако в большей части они играют роль элементов, выполняющих функциональные преобразования сигналов, например дифференцирование или интегрирование. Дополнительные элементы могут быть включены параллельно или последовательно с основными.

По направленности передаваемого воздействия различают прямые и обратные связи. Говоря «прямая» или «обратная» связь, нужно обязательно указывать; по отношению к чему применяется это понятие. Пусть направление передачи воздействия в основном контуре задано. Если направление передачи воздействия в контуре, образованном дополнительной связью, совпадает с основным, то такую дополнительную связь называют прямой. В противном случае это будет обратная связь.

При изучении САР целесообразно использовать помимо принципиальных схем, раскрывающих принцип действия системы, еще и функциональные и структурные схемы. Схема должна быть логически последовательной и читаться слева направо или сверху вниз. Каждому элементу схемы присваивается буквенно-цифровое обозначение. Буквенное обозначение обычно представляет собой сокращенное наименование элемента, а цифровое в порядке возрастания и в определенной последовательности условно показывает нумерацию элемента, считая слева направо и сверху вниз.

Функциональными называются схемы, которые отражают функциональный состав и порядок взаимодействия элементов между собой. Каждый элемент системы на такой схеме условно изображается прямоугольником с указанием функции, выполняемой этим элементом (например, объект регулирования, двигатель, усилитель, редуктор и т.д.). Связи между элементами указываются линиями со стрелками. В элементах направленного действия, которые в дальнейшем будут изучаться, воздействия передаются только в одном направлении: от входа к выходу; в них выходная величина не влияет на входную, поэтому в системе, состоящей из направленных элементов, нет влияния последующих элементов на предыдущие.

Если на функциональной схеме каждому прямоугольнику ставится в соответствии не функциональное назначение элемента, а его математическое описание (например, в виде дифференциального уравнения или ином виде), то такая схема называется структурной. Структурные схемы показывают взаимосвязь составных частей автоматической системы и характеризуют их динамические свойства. Структурная схема - наиболее удобная графическая форма представления САУ в процессе исследования ее динамических свойств. В этой схеме не учитывают физическую природу воздействий и особенности конкретной аппаратуры, а отображают лишь математическую модель процесса управления.