Элементы автоматических систем

Классификация систем автоматического управления

Классифицировать системы автоматического управления можно по методу управления и функциональному признаку (рис. 1.).

Поддержание управляемой величины в определенных пределах или изменение ее по заданному закону в про­цессе работы системы может быть выполнено как по разомкнутому, так и по замкнутому циклам управления.

Рис. 2

Рассмотрим эти понятия на примере системы, изображен­ной на рисунке 2, которая состоит из последовательно соединенных управляемого объекта О, управляющего органа УО, управляющего устройства УУ и задатчика 3— устройства, направляющего в систему задающее воз­действие.

При управлении по разомкнутому циклу (рис. 2, а) воздействие x(t), поступающее на управляющее уст­ройство от задатчика задается операто­ром.

По существу разомк­нутая система представляет собой передаточную цепь, в которой задающее воздействие x(t) после определен­ной обработки управляющим устройством преобразует­ся во внутренние воздействия Z₁(t) и Z₂(t) и передает­ся управляемому объекту, но при этом обратного воз­действия управляемого объекта на управляющее уст­ройство нет.

По замкнутому циклу система будет работать (рис. 1,б), если соединить ее выход с управляющим устройством так, чтобы на него все время поступало два воздейст­вия — с задатчика и с выхода управляемого объекта.

Таким образом, в данной системе существует воздей­ствие не только управляющего устройства на объект, но и объекта на управляющее устройство.

Автоматичечкие системы управления можно классифицировать: по назначению, по характеру управляемых величин, по виду используемой для управления энергии, по функциональному назначению, по методу управления.

Системы стабилизации поддерживают требуемое значение управляемой величины с заданной точностью. Поскольку требуемое значение управляемой величины в системе стабилизации постоянно, то расхождение между ним и текущим значением в установившемся режиме (ошибка управления) не должно превышать допустимого значения.

Любая система управления характеризуется регулировочными характеристиками. Различают системы стабилизации статического и астатического регулирования.

Когда установившееся после окончания переходного процесса значение управляемой величины при различных постоянных значениях нагрузки будет принимать различные постоянные значения, называется статическим регулированием.

Устройства, осуществляющие данный вид управления, называются статическими регуляторами. Статические регуляторы поддерживают не строго постоянное значение управляемой величины, а с некоторыми отклонениями от заданного, то есть с ошибкой., которая называется статической ошибкой. Под статической ошибкой ∆у понимают наибольшее отклонение управляемой величины при изменении нагрузки от нуля до номинальной.

Перемещению рабочих органов регулятора противодействуют силы трения, для преодолевания которых требуется некоторе номинальное значение воздействия. Если это воздействие меньше указанного минимального значения, подвижная система регулятора не может прийти в движение, так как противодействие сил трения больше движущей силы, вызванной возмущением. Таким образом, появляется некоторая зона отклонения управляемой величины от заданного значения, называемой зоной нечуствительности, в пределах которй регулятор не воздействует на процесс.

С учётом нечуствительности регулировочная характеристика статического регулирования выразится уравнением

y = y₀+∆y ± H,

где y₀ – заданное(предписанное) значение управляемой величины; ∆y - статическая ошибка; Н – нечуствительность регулятора.

Следовательно под астатическим регулированием понимают такое, когда в установившемся режиме при различных значения постоянной нагрузки поддерживается постоянное значение управляемой величины, равное заданному.

Регулировочная характеристика для астатического регулирования без учёта нечуствительности регулятора выражается уравнением

y = y₀ = const.

При наличии нечуствительности, а она практически существует во всех регуляторах, уравнение примет вид

y = y₀ ± H

Устройства, осуществляющие данный вид регулирования, называются астатическими регуляторами. Такие регуляторы более точно поддерживают заданное значение управляемой величины, но, как правило, сложнее по устройства, чем статические, склонны к колебаниям в переходных режимах и в большинстве случаев не обладают требуемой устойчивостью без вспомогательных устройств.

Програмные системы предзначаются для изменения управляемой величины по определённому предписанию – программе, которая составляется заранее на основании требований технологического процесса. Эти требования выражаются изменениями задающего воздействия по определённому закону в виде заранее известной функции времени.

Согласно классификации по функциональному признаку все автоматические системы управления подразделяют на четыре класса.

Системы, предназначенные для координации работы отдельных механизмов установки или установки в делом, являются систе­мами автоматического жесткого управления (САЖУ). Системы автоматического регулирования (САР) технологических процес­сов обеспечивают поддержание регулируемой величины на задан­ном уровне или изменение ее по заданной программе. Системы автоматического контроля (САК) содержат средства и методы для получения информации о текущих значениях параметров тех­нологических процессов (температуры, давления, запыленности или загазованности воздуха и др.) без непосредственного участия человека. Системы автоматической защиты (САЗ) и блокировки (САБ) предотвращают возникновение аварийных ситуаций в ра­боте оборудования при установившемся режиме.

Любая автоматическая система состоит из отдель­ных, связанных между собой элементов. Элементом автоматики называют часть системы, в которой происходят качественные или количественные преобра­зования физической величины, а также передача преоб­разованного воздействия от предыдущего элемента к последующему.

Датчики измеряют управляемые (регулируемые) величины объектов управления и преобразовывают из­меренные величины одной физической природы в дру­гую (например, разность температур — в ЭДС, усилие — в электрическое сопротивление и т. п.).

Элементы сравнения сопоставляют задаю­щее воздействие х (t) и управляемую величину y (t). Получаемая на выходе разность у (е) = x (t) – y (t) пере­дается по цепи воздействия либо непосредственно, либо через усилитель на исполнительный механизм. Элемен­ты сравнения как самостоятельная часть системы не применяются, а являются составной частью других уст­ройств.

Усилители в системах автоматики (магнитные, электронные, полупроводниковые и др.) обычно ис­пользуются для усиления задающего воздействия x (t) или разности e (t), когда мощность этих сигналов недо­статочна для нормальной работы регулятора.

Исполнительные механизмы предназна­чены для изменения управляемых величин или поддер­жания их в заданных пределах. Исполнительным меха­низмом может быть электрический двигатель, нагрева­тельное устройство и др.

Элементы настройки (задающие эле­менты) представляют собой устройства, при помощи которых в систему автоматики подаются задающие воздействия x (t). В качестве этих элементов применя­ются потенциометры, сельсины, вращающие трансфор­маторы и т. д.

Корректирующие элементы предназна­чаются для улучшения регулировочных свойств систе­мы в целом или отдельных ее частей.

Командоаппараты (кнопки, переключатели, конечные выключатели и т. п.) предназначены для по­дачи в систему различных воздействий и команд.

Элементы защиты (тепловые и токовые ре­ле, плавкие предохранители, автоматы и др.) - для выполнения защитных функций при недопустимых ре­жимах работы, а контрольно-измерительные приборы (амперметры, вольтметры, тахометры и т. д.) — для контроля и измерения различных вели­чин.

Под статической характеристикой элемента понима­ют зависимость у=f(х), то есть зависимость между выходной у и входной х величинами в установившемся режиме, когда хну неизменны во времени. По виду статической характеристики различают элементы с ли­нейной и нелинейной характеристиками.

Под динамической характеристикой элемента пони­мают зависимость выходной величины у от входной ве­личины х в переходном - динамическом - режиме, когда х и у меняются во времени.

На характер изменения динамической характеристи­ки оказывает влияние инерционность элемента, из-за которой выходная величина изменяется в динамическом режиме с некоторым запаздыванием по отношению к изменению входной величины.

Передаточный коэффициент элемента представляет собой отношение выходной величины у к входной x - статический передаточный коэффициент

k_c=y/x,

или отношение приращения ∆ у к приращению ∆ х - динамический передаточный коэффициент

k_д = dy/dx ≈ ∆ у/ ∆ х

Для линейной статической характеристики k_с = kд при всех значениях х и у. Единица измерения переда точного коэффициента равна отношению единиц изме­рения выходной и входной величий.

В практике пользуются относительным передаточ­ным коэффициентом

δ= (∆у/yп)/∆х/х_н) = ∆ ух_н/ ∆ху_н,

где x_н иу_н — номинальные значения входной и выходной величин.

Для датчиков передаточный коэффициент называ­ют коэффициентом чувствительности, а для усилите­лей - коэффициентом усиления.

Погрешностью называется разность между текущим и номинальным заданным значениями выходной величины.

Порог чувствительности — наименьшее из­менение входной величины, способное вызвать появле­ние изменения выходной величины.