Основные термины и определения

Основные термины и определения

Любой технологический процесс можно расчленить на ряд более простых, неравнозначных составных, но связанных между собой процессов. В связи с этим говорят, что в технологическом процессе выделяют рабочие операции, т. е. действия, непосредственным результатом которых является требуемая обработка материала, энергии, информации, иоперации управления, обеспечивающие придание в нужные моменты нужных режимов, направлений и т. п.

Рабочие операции сопряжены с затратами энергии, и, если они выполняются человеком, то на их выполнение затрачивается его физическая сила. На операции управления затрачивается интеллектуальный труд человека, и эти операции требуют определенной квалификации исполнителя.

Замена труда человека в рабочих операциях работой машин и механизмов называется механизацией.

Под автоматическим управлением понимают такую организацию того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенной цели. Совокупность операций управления образует процесс управления.

Процесс управления, осуществляемый без участия человека, называется автоматическим. Замена труда человека в операциях управления действиями технических управляющих устройств называется автоматизацией. Техническое устройство, выполняющее операции управления без непосредственного участия человека, называется автоматическим устройством.

Автоматическое без участия человека-оператора обеспечение поддержания требуемых значений параметров объекта регулирования, определяющих протекание процесса независимо от изменения внешних условий, называетсяавтоматическим регулированием. Автоматическое регулирование является частным случаем автоматического управления.

Теория автоматического регулирования, как и любая другая наука, имеет свои понятия, термины и определения, которые являются отражением накопленных в ней знаний. Вот поэтому такое важное значение имеет создание единой, стройной терминологии и общей классификации автоматических систем.

Системой автоматического регулирования называется динамическая система, стремящаяся сохранять в допустимых пределах отклонения между требуемыми и действительными значениями регулируемых переменных (величин) при помощи их сравнения для управления источниками энергии без непосредственного участия человека.

Любая автоматическая система состоит, по крайней мере, из объекта регулирования (ОР) и автоматического регулятора (АР), реагирующего на изменение регулируемой величины y(t) и воздействующего на объект внешнего возмущения f(t).

Для наглядного схематического изображения системы автоматического регулирования используют структурные (функциональные) схемы, в которых отдельные элементы системы изображаются в виде прямоугольников, а связи между звеньями - линиями со стрелками, показывающими направление передачи сигналов.

Функциональная схема автоматической системы

Объект регулирования - это совокупность технических средств (машин, аппаратов или устройств), которая нуждается в оказании специально организованных воздействий извне для достижения поставленной цели регулирования.

Для осуществления поставленной цели объект регулирования должен иметь орган управления, изменяя состояние которого можно воздействовать на количество подводимой энергии. Например, для дизеля - система подачи топлива, для тягового генератора - ток обмотки возбуждения.

Регулируемая величина - основной параметр объекта регулирования, характеризующий его работу, который требуется в течение достаточно длительного промежутка времени поддерживать постоянным или изменять по заранее заданному закону.

Обычно регулируемая величина в той или иной степени характеризует количественные и качественные показатели протекания процессов в объекте регулирования. Важность регулируемой величины подчеркивается и тем, что она всегда входит в название системы автоматического регулирования. Например, система автоматического регулирования частоты вращения коленчатого вала дизеля (регулируемая величина - частота вращения коленчатого вала дизеля),система автоматического регулирования напряжения тягового генератора (регулируемая величина - напряжение тягового генератора) и т. д.

Автоматическим регулятором называется устройство, осуществляющее воздействие на объект регулирования в соответствии с заложенным в нем законом (алгоритмом) регулирования.

Конструктивно автоматические регуляторы могут быть выполнены на различной элементной базе (механические, пневматические, гидравлические, гидро-механические, электромашинные, магнитные, электронные и т. д.). Выбор исполнения автоматического регулятора определяется уровнем развития научно-технического прогресса в данной отрасли производства и в стране в целом, а также устоявшимися традициями. В последнее время все большее внимание уделяется разработке автоматических регуляторов на микропроцессорной элементной базе, которая представляет возможность гибкого и оперативного изменения параметров и алгоритмов автоматического регулирования.

Возмущающее воздействие - это внешнее воздействие (сила), стремящееся нарушить требуемую функциональную связь между требуемыми и действительными значениями регулируемых переменных путем вывода объекта регулирования из состояния покоя или равномерного движения.

Другими словами можно сказать, что любой автоматический регулятор предназначен для ликвидации (компенсации) вредного воздействия возмущений на объект регулирования. В качестве внешних возмущений на поезд можно отметить влияние параметров окружающей среды (температура, давление, ветер и т. п.), изменение профиля пути, набор и расстановка вагонов в составе и т. д.

Поведение всякой автоматической системы определяется: целью регулирования, окружающей обстановкой или внешними условиями и свойствами управляемой и управляющей систем.

Управляющая переменная - представляет собой воздействие на объект регулирования, создаваемое управляющей системой.

На рисунке представлена обобщенная функциональная схема системы автоматического регулирования.

Функциональная схема обобщенной системы автоматического регулирования

Устройства и элементы, входящие в автоматическую систему, имеют следующее назначение:
1 - задающее устройство преобразует управляющее воздействие в управляющий сигнал, пропорциональный заданному значению регулируемой величины. Задающими устройствами могут быть пружины, калиброванные сопротивления, грузы, уровни и т. п.
2 - сравнивающее устройство производит сравнение двух величин с целью определения степени их рассогласования и выработки при необходимости соответствующих управляющих воздействий. Чаще всего оно представляет собой простейшее арифметическое устройство, осуществляющее вычитание из измеренного чувствительным элементом значения регулируемой величины другой величины, принятой в данном регуляторе за заданную величину.
3 - преобразующее устройство преобразует одну физическую величину в другую, более удобную для использования в процессе регулирования, не выполняя при этом функции измерения, усиления или коррекции. 
4, 8 - корректирующие устройства повышают устойчивость и улучшают динамические свойства автоматической системы. В зависимости от способов включения корректирующие устройства подразделяют на последовательные или параллельные. С помощью последовательных корректирующих устройств преобразуется сигнал ошибки и в закон регулирования вводятся воздействия по производным и интегралам регулируемой величины по времени. Параллельные корректирующие устройства осуществляют подачу сигнала с выхода звена на вход одного из предыдущих для повышения устойчивости или качества регулирования. 
5 - вспомогательное сравнивающее устройство сопоставляет сигнал в промежуточной точке прямой цепи с сигналом местной обратной связи. 
6 - усилительное устройство предназначено для усиления мощности сигналов в регуляторах. Оно управляет энергией, которая поступает от постороннего источника энергии. В настоящее время применяют электронные и электромагнитные устройства, позволяющие использовать для действия регуляторов мощность электрической сети или специальных электрических машин; гидравлические золотники, управляющие энергией маслонапорных установок, пневматические усилители, использующие энергию сжатого воздуха и т. п. 
7 - исполнительное устройство вырабатывает регулирующее воздействие, которое непосредственно прикладывается к объекту регулирования и оказывает воздействие на регулирующий орган. 
9 - чувствительный элемент предназначен для точного преобразования регулируемых величин или возмущающих воздействий в сигналы управления, удобные для дальнейшего использования в процессе регулирования. Чаще всего значения регулируемых величин преобразуются в пропорциональные электрические сигналы или механические перемещения. Чувствительные элементы автоматических систем, так же как и в измерительных приборах, должны удовлетворять определенному классу точности. 
10 - элемент главной обратной связи вырабатывает сигнал, находящийся в определенной функциональной зависимости от регулируемой величины.

Главная обратная связь - это часть выходного сигнала, подаваемого на вход системы. 
Местная обратная связь - это часть выходного сигнала промежуточного звена, подаваемого на вход одного из предыдущих звеньев. 
Сигнал ошибки (рассогласование) - разность между входным сигналом и сигналом обратной связи.