Основные понятия и определения

1.1.Управление и регулирование.

Управление – это совокупность действий по переработке информации, ведущая к достижению поставленной цели. Система автоматического управления (САУ) – комплекс технических средств, решающих задачу управления без участия человека (иногда с его частичным участием).

В состав САУ входит ряд подсистем, имеющих определённое функциональное назначение, а именно:

- система автоматического регулирования (САР) – изменяет показатели технологического процесса (в дальнейшем - ТП) в соответствии с желанием человека, например, поддерживает на определенном уровне температуру охлаждения двигателя, либо система, которая выводит двигатель на заданный скоростной режим по определенной программе;

- система автоматического контроля (САК) – контролирует работоспособность всего технологического оборудования, в том числе и средств автоматики;

- система автоматической сигнализации (САС) – информирует человека о том, что какие-либо показатели ТП приближаются к опасным границам, например, сигнализация о повышении температуры охлаждения (АПС - аварийно-предупредительная сигнализация), а также даёт информацию о выполнении операций пуска, остановки механизмов, включении резерва и т.п. (исполнительная сигнализация);

- система автоматической защиты - прекращает технологический

процесс, если какие-либо его показатели достигли опасных границ. Примером могут служить система защиты дизеля от чрезмерного падения давления циркуляционной смазки, система защиты парового котла при недопустимо низком уровне воды в пароводяном барабане;

- система автоматической регистрации – ведет документацию о протекании технологического процесса и хранит её определенное время;

- система автоматической оптимизации – выполняет поиск режима работы, соответствующего наивыгоднейшему с определённой точки зрения значению некоторого показателя и удерживает этот режим. Примером может служить система, находящая наилучшее сочетание частоты вращения вала двигателя и шага гребного винта, при котором обеспечивается наибольшее значение коэффициента полезного действия комплекса "корпус судна – двигатель – движитель".

Разумеется, степень сложности отдельных из указанных подсистем и, соответственно, трудность понимания их работы различны. Понятно, что системы, выполняющие простые функции или работающие эпизодически, для понимания просты и, если бы технологическое оборудование было стопроцентно надёжным, в них бы попросту не было необходимости. Наибольшее внимание привлекают системы автоматического регулирования, единственные (за исключением оптимизирующих систем, имеющих сравнительно небольшое распространение), которые изменяют показатели технологического процесса, и работа которых может быть понята при использовании достаточно серьёзного математического аппарата.

1.2. Состав системы автоматического регулирования.

Укрупнённо любая САР состоит из двух элементов: объекта регулирования (ОР) и автоматического регулятора (Р).

К объектам регулирования относятся различные технические устройства либо технологические процессы, в которых происходит преобразование энергии или вещества. Главный судовой двигатель, паровой котёл, компрессор, теплообменный аппарат, судно в целом, процессы изготовления или ремонта деталей либо узлов судового оборудования – всё это примеры объектов регулирования.

Работа любого ОР характеризуется совокупностью показателей, отражающих безопасность и экономичность его эксплуатации. Это физические величины, такие, как давления, температуры, скорости, частоты вращения, мощности и другие. В зависимости от специфики ОР ряд этих величин подлежит автоматическому регулированию, и они называются регулируемыми величинами.

Для схематического изображения элементов САР и их взаимодействия между собой (в информационном смысле) часто используются функциональные схемы. На рис.1.1 приведена функциональная схема объекта регулирования.

Рис.1.1. Функциональная схема объекта регулирования.

y _i - регулируемые величины;

z _i - внешние возмущения;

x _i - регулирующие воздействия.

Любой объект регулирования находится под влиянием внешней среды. Изменение внешних условий отражается на работе объекта, вызывая отклонение регулируемых величин от тех значений, которые соответствуют определенному заданному (требуемому) режиму работы. Все факторы внешней среды, приводящие к изменению регулируемых величин, называются возмущающими воздействиями, или внешними возмущениями. Для того, чтобы препятствовать нежелательным отклонениям регулируемых величин, на ОР от регулятора поступают регулирующие воздействия. Без потери общности в дальнейшем будем изображать ОР, имеющий одну регулируемую величину и находящийся под действием одного возмущающего и одного регулирующего воздействий (рис.1.2).

Рис.1.2. Обобщенная функциональная схема ОР.

Второй элемент САР – регулятор. Его назначение – выработка и подача на объект такого регулирующего воздействия, которое привело бы регулируемую величину с определенной степенью точности к требуемому, то есть, заданному значению. Очевидно, что для своей работы регулятор должен получать определенную информацию, отражающую взаимодействие объекта регулирования с внешней средой. Кроме того, регулятор должен получать информацию о задаче регулирования, то есть о желаемом для человека значении регулируемой величины (задаваемое значение). Таким образом, в каждой системе регулирования присутствует часть, показанная на рис.1.3.

Рис.1.3. Обязательная часть структуры САР.

у – регулируемая величина; z - внешнее возмущение;

x - регулирующее воздействие; u – управляющее воздействие,

то есть заданное значение регулируемой величины.

Организация структуры САР в целом зависит от того, какой принцип регулирования заложен в её работу.

1.3. Принципы автоматического регулирования.

Принцип регулирования характеризуется родом информации, которая используется регулятором для выработки регулирующего воздействия. Существуют два принципа регулирования.

Первый – по отклонению регулируемой величины, или принцип обратной связи. По фамилиям изобретателей, впервые применивших регуляторы, работавшие по этому принципу, он носит также название принципа Ползунова-Уатта (рис.1.4).

Рис.1.4. Принцип обратной связи.

Логика работы регулятора в этом случае такова. Регулятор воспринимает фактическое значение регулируемой величины и сравнивает его с заданным её значением, которое формируется на основании управляющего воздействия, поступающего на регулятор извне, часто от человека. Если значение регулируемой величины не такое, как требуется по заданию, то на основании выполненного сравнения регулятор вырабатывает регулирующее воздействие, которое исправляет регулируемую величину, приводя ее к значению, близкому к заданному.

Второй принцип – принцип компенсации возмущений. Идея принципа следующая (рис.1.5). Поскольку возмущение является причиной отклонения регулируемой величины, можно, получив информацию о причине ожидаемого отклонения, предотвратить нежелательное следствие, выработав соответствующее регулирующее воздействие, которое "скомпенсирует" влияние возмущения. Обратим внимание на то обстоятельство, что регулятор не устраняет возмущение, а только компенсирует вредный эффект от его действия на объект регулирования. НИКАКАЯ СИСТЕМА НЕ МОЖЕТ УСТРАНИТЬ ВОЗМУЩЕНИЕ!!! Это действие окружающей среды на нас, и мы можем только бороться с его нежелательными последствиями.

Рис.1.5. Принцип компенсации возмущений.

Этим двум принципам свойственны определённые достоинства и недостатки, заключающиеся в следующем.

Первый принцип. Его достоинство – универсальность. Неважно, по какой причине изменилась регулируемая величина. Регулятор видит конечный результат – именно саму регулируемую величину – и исправляет её. Недостаток принципа – относительно невысокое быстродействие, которое объясняется наличием у любого объекта (в большей или меньшей степени) инерционных свойств: должно пройти некоторое время от момента действия возмущения до того момента, когда регулируемая величина изменится настолько, что это почувствует регулятор.

Второй принцип. Достоинство – высокое быстродействие. Регулятор не ждёт, пока изменится регулируемая величина. Он реагирует на причину её будущего возможного изменения и сразу принимает контрмеры. Недостаток: в реальных условиях возмущений может быть много, и на каждое должен реагировать регулятор. Отметим, что по второму принципу регулятор не имеет информации о регулируемой величине. Могут оказаться и такие возмущения, о существовании которых при проектировании регулятора вообще не было известно. Если хотя бы одно из возмущений не будет учтено, оно вызовет неконтролируемое изменение регулируемой величины, то есть задача регулирования не будет выполнена. Поэтому "в чистом виде" этот принцип неприменим.

Некоторые авторы литературных источников по рассматриваемым вопросам говорят о существовании отдельного третьего принципа, называя его комбинированным. В это понятие вкладывают тот смысл, что используются достоинства обоих рассмотренных принципов. Не вступая в полемику относительно возможности трактовать такой принцип как самостоятельный, остановимся на особенностях его применения.

Согласно этой комбинации, (рис.1.6), регулятор реагирует на обычно одно возмущение, сильнее всего влияющее на объект регулирования, то есть сильно и часто отклоняющее регулируемую величину, а отклонения регулируемой величины, вызванные прочими (не воспринимаемыми регулятором) возмущениями, устраняются в соответствии с принципом обратной связи.

Рис.1.6. Комбинация двух принципов.

Отметим, что в технике автоматического регулирования подавляющее количество регуляторов выполнено по первому принципу.

1.4. Типовая функциональная схема САР.

Регулятор, если рассматривать его подробно, включает в себя ряд элементов, каждый из которых выполняет определенную функцию. На рис.1.7 представлена развёрнутая функциональная схема САР, работающей по первому принципу регулирования.

Рис.1.7. Типовая функциональная схема САР.

ОР – объект регулирования; ЧЭ – чувствительный элемент; ЗУ – задающее устройство; СУ – сравнивающее устройство; УУ – усиливающее устройство; ИМ – исполнительный механизм; РО – регулирующий орган; КУ – корректирующее устройство.

Функции элементов регулятора:

ЧЭ – воспринимает действительное значение регулируемой величины и преобразует его в удобную для дальнейшего использования форму у_д. Если сигнал на выходе ЧЭ имеет электрическую природу, то такой чувствительный элемент называется датчиком.

ЗУ – формирует заданное (то есть, требуемое) значение регулируемой величины у _з.

СУ – сравнивает действительное и заданное значения регулируемой величины. Обычно сравнение выполняется по принципу вычитания одной из этих величин из другой. Сигнал Dу на выходе СУ называется сигналом рассогласования.

УУ – усиливает сигнал рассогласования по мощности.

ИМ – приводит в действие регулирующий орган.

РО – изменяет подвод или отвод энергии либо вещества на объекте регулирования.

КУ - служит для настройки регулятора на необходимые показатели точности регулирования. Условно на приведенной схеме оно показано неподключенным в схему, поскольку в зависимости от индивидуальных свойств конкретной САР может находиться в любой части регулятора.

Не обязательно все указанные элементы присутствуют в любой САР. Если мощность сигнала рассогласования достаточна для приведения в действие регулирующего органа, то отпадает надобность в усилителе и исполнительном механизме. В этом случае регулятор называют регулятором прямого действия. Если в составе регулятора имеется усилитель, регулятор называют регулятором непрямого действия. Может отсутствовать КУ.

1.5. Классификация САР по характеру изменения регулируемой

величины.

По этому признаку различают три типа систем: стабилизирующие, программные и следящие.

Стабилизирующие САР предназначены для поддержания регулируемых величин в определенных, наперёд заданных пределах (рис. 1.8). Большинство САР используются именно для целей стабилизации. В качестве примеров можно указать на системы поддержания частоты тока электростанции, температуры охлаждения двигателей, уровня воды и давления пара в котлах и многие другие. Для этих систем характерно постоянство заданного значения регулируемой величины.

Рис. 1.8. Стабилизирующая САР.

Программные САР (системы программного регулирования) осуществляют изменение регулируемой величины во времени по определённой, наперёд заданной программе (рис.1.9). Эта программа хранится в памяти регулятора. Пример такой системы – система дистанционного автоматизированного управления (ДАУ), вводящая главный судовой двигатель в заданный режим работы. У этих систем заданное значение регулируемой величины изменяется во времени, и закон изменения (один или несколько – на выбор человека) заложен в регулятор.

Рис.1.9. Система программного регулирования.

Следящие системы изменяют регулируемую величину в зависимости от изменения каких-либо внешних факторов, для которых закон изменения заранее не известен. Пример – система радиолокационного сопровождения (слежения) объекта, движущегося по неизвестной для наблюдателя траектории.

Независимо от типа рассмотренных систем всем им присуще общее свойство: действительное (фактическое) значение регулируемой величины должно быть с достаточной точностью близким к её заданному значению (в идеале – абсолютно точно равняться):

у _д =у _з.