Принципы автоматического регулирования

Принцип действия всякой системы автоматического регулирования заключается в том, чтобы обнаружить отклонения регулируемых величин, характеризующих работу объекта регулирования или протекание процесса от требуемого режима и при этом воздействовать на объект регулирования или процесс так, чтобы устранить эти отклонения.

В процессе управления всегда есть физические величины, которые требуется изменять строго определенным образом.

Системы автоматического регулирования должны на основании измерения регулируемых величин, формировать управляющие воздействия на объект регулирования. Изменение поведения объекта регулирования может осуществляться по принципам разомкнутого или замкнутого циклов.

В разомкнутой автоматической системе управляющее воздействие формируется на основе значения заданной величины. В таких системах отсутствует связь между входом и выходом. Вследствие этого протекание процесса управления в разомкнутых системах не зависит от результатов, т. е. от того, как система выполняет свои функции. В разомкнутой автоматической системе имеет место только прямое воздействие: от оператора к объекту регулирования, от входа к выходу. Простейший пример - процесс включения электрического освещения в помещении.

Для тoгo чтобы регулируемая величинаy(t) объекта регулирования приняла требуемое значение, на eгo вход подается входное воздействие х(t). Однако на практике регулируемая величина y(t) объекта регулирования по ряду причин отклоняется от требуемого значения. Одной из этих причин является влияние различного рода внешних возмущающих воздействий f(t) на объект регулирования. Дрyгой причиной является влияние изменения параметров объекта регулирования или других элементов системы, т. е. влияние параметрических возмущающих воздействий (коэффициентов усиления, постоянных времени и т. д.). Третья причина, вызывающая отклонение регулируемой величины, обусловлена изменением требуемого значения регулируемой величины (изменением требуемой температуры закалочной печи, произвольным изменением угловых координат цели). Если требуемое значение регулируемой величины изменяется, то для соответствующего изменения действи­тельного ее значения необходимо изменять управляющее воздействие h(t) на входе объекта регулирования. При изменении же управляющего воздействия на входе объекта регулирования, обладающего инерционностью, возникает переходный процесс, в течение котopoгo регулирумая величина не будет соответствовать требуемому значению.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Отклонение регулируемой величины от требуемого значения может возникать не только в переходном, но и в установившемся динамическом режиме, когда требуемое значение изменяется, например, с постоянной скоростью или постоянным ускорением. Oтклонение регулируемой величины под влиянием перечисленных причин может достигать недопустимо больших значений, при которых нарушается обеспечиваемый объектом технический процесс. Поэтому возникает задача уменьшения отклонений выходных величин объектов от требуемых значений. Эта задача является основной задачей управления (регулирования).

Под автоматическим управлением понимается осуществление воздействий, получаемых в результате обработки имеющейся информации и направленных на уменьшение отклонения функционирования объекта регулирования от заданного алгоритмом функционирования.

Очевидно, что необходимость в управляющем воздействии возникает в тех случаях, когда п­poцecc в объекте регулирования отклоняется от предписаний, заданных алгоритмом функционирования.

Алгоритм регулирования в таких автоматических системах определяется свойствами отдельных звеньев или характером сигналов, подаваемых на вход. По принципу разомкнутого регулирования работают многие автоматические системы, имеющие заранее определенный алгоритм действий. Например, запуск двигателя внутреннего сгорания, включение компрессора на локомотиве, подача песка под колесные пары, процесс зарядки аккумуляторной батареи и т. п. Для нормального функционирования таких автоматических систем необходимо соблюдение ряда мер.

В этой системе управляющ­ее воз­действие может вырабатываться человеком. Сравнивая действительное и требуемое значения регулируемой величины, человек может выявлять отклонение между ними и в соответствии с величиной и знаком этого отклонения определяется величина управляющего воздействия.

Во-первых, полное соответствие между заданным и фактическим значениями регулируемой величины может иметь место только в случае, когда характеристики отдельных звеньев автоматической системы будут стабильными и будет исключено воздействие внешних возмущений.

Во-вторых, они должны быть тщательно настроены, т. е. каждому положению задающего устройства должно строго соответствовать значение регулируемой величины. Однако сохранение настроек при износе деталей или старении элементов, а также при изменении температуры окружающей среды представляет трудную задачу. Поэтому разомкнутые системы не могут обеспечить высокую точность регулирования. В них не измеряется результат, вызываемый управляющим воздействием, и не осуществляются действия, влияющие на этот результат с тем, чтобы он соответствовал желаемому.

В замкнутых автоматических системах регулируемая величина сравнивается с заданным ее значением и на базе сигнала ошибки формируется управляющее воздействие. Протекание процесса автоматического регулирования зависит от результатов этого сравнения.

Для реализации такого алгоритма регулирования в конструкцию автоматической системы вводится связь, получившая название обратной связи, потому что по ней происходит передача сигнала с выхода объекта регулирования на вход автоматической системы по направлению, обратному направлению передачи управляющего воздействия на объект регулирования.

Проще всего - посадить человека-оператора, который будет выполнять роль обратной связи, например, в процессе ручного управления транспортным средством будь то автомобиль, трактор, локомотив, самолет или космический корабль. В этом случае сравнивая показания контрольных приборов, измеряющих действительное значение регулируемой величины (скорость, мощность, сила тяги, высота полета и т. п.), с заданным ее значением, человек-оператор производит дополнительное воздействие на объект регулирования с целью достижения минимального отклонения регулируемой величины от заданного значения.

С одной стороны, действия человека-оператора элементарно просты, а с другой - наблюдение за множеством приборов довольно утомительно, и легко могут быть выполнены специальным автоматическим устройством, производящим сравнение заданного и фактического значения регулируемой величины и на его основе формирующем управляющее воздействие на объект регулирования. Так появились первые автоматические регуляторы призванные заменить монотонный и малопроизводительный труд человека на автоматическое устройство. Такое устройство представляет собой автоматический регулятор.

Объект регулирования и автоматический регулятор образуют замкнутую систему.

В замкнутых автоматических системах действия человека-оператора сводятся к первоначальной установке заданного режима и общему наблюдению за протеканием процессов в автоматической системе. Точность регулирования в замкнутых автоматических системах, т. е. точность поддержания требуемой функциональной зависимости между входом и выходом, в основном зависит от точности, с которой производится сравнение требуемого и фактического значения регулируемой величины.

Замкнутые системы автоматического регулирования различаются по принципу регулирования:
      - по отклонению;
      - по возмущению;
      - комбинированные.

Системы автоматического регулирования, работающие по принципу отклонения, являются основными в практике автоматизации различных производственных объектов. Они характеризуются наличием обратной связи, осуществляющей подачу части выходного сигнала на вход автоматической системы и образующей замкнутый контур регулирования. Сущность этого принципа регулирования состоит в том, что фактическое значение регулируемой величины постоянно сравнивается с ее заданным значением. При наличии разности этих значений выше заранее установленного порога в системе вырабатывается регулирующее воздействие, направленное на устранение этой разности или на уменьшение ее до некоторого допустимого значения.

Требуемое значение регулируемой величины автоматической системы y(t) определяется задающим воздействием x(t), поступающим от задающего устройства. Отклонение регулируемой величины y(t) от заданного значения может быть вызвано как влиянием различного рода возмущающих воздействий, так и изменением задающего воздействия x(t). Чтобы уменьшить или устранить это отклонение, нужно выработать соответствующее управляющее воздействие h(t) и подать eгo на вход объекта регулирования. Управляющее воздействие при использовании принципа управления по отклонению вырабатывается в результате преобразования отклонения Dx(t) регулируемой величины от заданного значения.

В автоматических системах, работающих по принципу отклонения, управляющее воздействие h(t) получается в результате преобразования сигнала отклонения, а не caмoгo фактора, вызвавшего отклонение, например, возмущающего воздействия f(t) (т. е. в результате преобразования следствия, а не самой причины), поэтому оно не может оказать на объект обратное влияние без запаздывания по сравнению с возмущающим воздействием. Следовательно, принцип управления по отклонению не дает возможности полного устранения отклонения, т. е. достижения абсолютной инвариантности.

В автоматических системах, работающих по принципу отклонения, управляющее воздействие получается в результате преобразования отклонения, которое может быть вызвано различными факторами. Поэтому в этих системах уменьшается отклонение независимо от тoгo, какими из факторов оно вызвано. Поскольку в автоматических системах, работающих по принципу отклонения, уменьшаются отклонения, возникающие и при изменении параметров элементов автоматической системы, то замкнутые автоматические системы будут менее чувствительны к изменениям параметров ее элементов по сравнению с разомкнутыми автоматическими системами, где отклонения, вызываемые изменением параметров их элементов, не компенсируются. 

Автоматические системы, работающие по этому принципу обладают высокой точностью поддержания регулируемой величины (ввиду наличия постоянного контроля разности заданного и фактического ее значений), но низким быстродействием.

Низкое быстродействие таких систем обусловлено тем, что
1. В замкнутый контур автоматического регулирования, созданный автоматическим регулятором и обратной связью, включен и объект регулирования. На практике объект регулирования практически всегда является самым инерционным звеном автоматической системы;
2. Они реагируют не на причину, вызывающую рассогласование между заданным и фактическим значением регулируемой величины, а на следствие - рассогласование между заданным и фактическим значением регулируемой величины.

Для построения системы автоматического регулирования, работающей по принципу отклонения, при прочих равных условиях, требуется минимальное количество исходной информации об объекте регулирования. Практически вся информация об объекте регулирования передается по обратной связи. Наличие обратной связи характеризуется тем, что приложение к автоматической системе некоторого воздействия влечет за собой противодействие, восстанавливающее состояние всей автоматической системы.

В простейшем случае в автоматическом регуляторе происходит сравнение выходного сигнала автоматической системы с сигналом задания для выяснения того, насколько правильно автоматическая система выполняет свою задачу. Наличие обратной связи в автоматической системе изменяет ее статические и динамические характеристики. Благодаря обратной связи автоматическая система может быть более точной и быстродействующей или наоборот, более медленной. Она может придать автоматической системе устойчивость или неустойчивость.

Системы, работающие по принципу отклонения, обладают следующими достоинствами: 
1) уменьшают отклонение управляемой величины от требуемого значения независимо от тoгo, какими факторами (внешними возмущающими воздействиями, изменением парамeтров элеметов системы, изменением задающего воздействия) оно вызвано;
2) менее чувствительны к изменениям параметров элементов системы, по сравнению с разомкнутыми системами.

Системы, работающие по принципу отклонения, присущи следующие недостатки: 
1) в простых одноконтурных системах с принципом управления по отклонению нельзя достичь абсолютной и­нвариантности; 
2) в системах с принципом регулирования по отклонению, как в замкнутых системах, возникает проблема устойчивости.

Благодаря существенным преимуществам системы с принципом регулирования по отклонению нашли широкое распространение в технике.

Системы автоматического регулирования, работающие по принципу компенсации возмущения, предназначены для уменьшения влияния возмущающих воздействий на объект регулирования путем измерения этих воздействий и компенсации их влияния за счет обратного искусственного воздействия на объект регулирования.

При разработке этого принципа инженеры исходили из предположения, что для уменьшения или устранения отклонения регулируемой величины от заданного значения, вызываемого влиянием того или иного фактора, необходимо, чтобы управляющее воздействие было определенной функцией этого фактора и характеристик объекта регулирования.

При регулировании по принципу компенсации возмущения ставиться задача компенсации влияния возмущающего воздействия на регулируемую величину.

Рабочей информацией в этих системах служат возмущающие воздействия, вредное влияние которых подлежит компенсации. Поэтому в этих системах возможна полная компенсация влияния возмущающего воздействия на управляемую величину, т. е. возможно достижение инва­риантности (независимости) управляемой величины относительно даннoгo возмущающего воздействия. Рассмотренным способом можно компенсировать влияние каждого из возмущающих воздействий в отдельности. Однако нa практике обычно не удается компенсировать влияние всех возмущающих воздействий, так как значительная часть воздействий не поддается измерению, а при попытке компенсации всех возможных возмущающих воздействий получается крайне сложная система.

Такие автоматические системы требуют начальной информации даже более полной, чем автоматические системы, работающие по принципу отклонения. Действительно, для компенсации влияния какого-либо возмущения в установившемся и тем более переходном режимах необходимо точно знать это влияние.

В этом случае выбирается одно (главное) или два (не более) возмущения и определяется, как они влияют на регулируемую величину. Регулирующее воздействие, прикладываемое к объекту регулирования со стороны исполнительного органа, зависит от возмущения так, что изменения регулируемой величины не выходят за заданные пределы. Такие системы просты и устойчивы в работе, но они не способны реагировать на другие возмущения, вызывающие отклонение регулируемой величины.

Принцип компенсации возмущения состоит в том, что для уменьшения или устранения отклонения Dx(t) регулируемой величины от заданного значения, вызываемого возмущающим воздействием f(t), измеряется это воздействие и в результате его преобразования вырабатывается управляющее воздействие h(t), которое будучи приложено ко входу объекта регулирования, вызывает компенсирующее отклонение регулируемой величины у(t) противоположного знака по сравнением с отклонением, вызванным возмущающим воздействием f(t). Измерение возмущающего воздействия f(t)осуществляется с помощью компенсатора возмущения. Некоторые автоматические системы в явном виде включают исполнительные элементы и управляющие органы.

Сигнал по возмущению хв(t) в сумматоре складывается (вычитается) с задающим воздействием, определяющим требуемое значение регулируемой величины. Суммарное воздействие Dx(t) с помощью автоматического регулятора (для данного принципа регулирования в большинстве случаев автоматический регулятор представляет собой усилитель мощности) усиливается до величины, необходимой для получения требуемого режима работы объекта регулирования. Сформированное таким образом управляющее воздействие h(t), поступает на вход объекта регулирования и компенсирует влияние возмущающего воздействия.

Автоматическая система, работающая по принципу компенсации возмущения, является разомкнутой автоматической системой. В ней процесс регулирования не зависит от результатов работы автоматической системы (управляемая величина не измеряется и не производится никаких действий, если она не соответствует требуемому значению) и наблюда­ется только прямое воздействие.

Автоматическая система, работающая по данному принципу, обладает высоким быстродействием, но низкой точностьюподдержания регулируемой величины. Высокое быстродействие обеспечивается тем, что автоматический регулятор реагирует не на следствие влияния возмущающего воздействия (отклонение регулируемой величины), а на причину - изменение возмущающего воздействия, подготавливая заранее объект регулирования к возможному отклонению регулируемой величины.

Автоматические системы, работающие по принципу компенсации возмущения, обладают следующими достоинствами: 
1) позволяют полностью компенсировать главные возмущающие воздействия, т. е. в этих системах возможно достижение инвариантности регулируемой величины относительно возмущающих воздействий; 
2) в них, как в любых разомкнутых системах, не возникает проблемы устойчивости.

Автоматические системы, работающие по принципу компенсации возмущения, обладают следующими недостатками: 
1) они устраняют влияние лишь главных возмущающих воздействий, по которым созданы компенсационные каналы; 
2) появляется отклонение регулируемой величины от требуемого значения в результате изменения второстепенных возмущающих воздействий, по которым нет компенсационных каналов; 
3) в этих системах, как в разомкнутых, появляются отклонения регулируемой величины с изменением характеристик объекта и элементов автоматической системы; 
4) применение принципа регулирования по возмущению ограничено объектами, характеристики которых известны или можно определить.

Системы, работающие по принципу компенсации возмущения, имеют частное применение.

Системы автоматического регулирования, работающие по комбинированному принципу, объединяют принцип компенсации возмущений и принцип отклонения. Такие автоматические системы объединяют положительные стороны рассмотренных ранее принципов автоматического регулирования и исключают их недостатки.

В таких системах помимо основного замкнутого контура регулирования по отклонению, комбинированная автоматическая система содержит контур компенсации одного или нескольких возмущений. Количество рабочей информации в комбинированной автоматической системе выше, чем в предыдущих системах. Здесь к рабочей информации об отклонении регулируемой величины добавляется информация о возмущающем воздействии.

В комбинированных автоматических системах принцип регулирования по отклонению реализуется с помощью главной обратной связи, а принцип управления по возмущению помощью компенсационных связей. Если наиболее существенная ошибка вызывается возмущающим воздействием f(t), то вводится связь по этому возмущению, если же такая ошибка получается из-за изменения задающего воздействия x(t), то связь по задающему воздействию определяет алгоритм автоматического регулирования.

В комбинированных автоматических системах компенсационная связь по основному возмущению (задающему воздействию) устраняет составляющую ошибки, вызываемую этим возмущением (изменением задающего воздействия), а в результате дейcтвия обратной связи уменьшаются ошибки, вызываемые второстепенными возмущающими воздействиями, по которым нет компенсационных связей. Если с помощью компенсационных связей не полностью устраняются ошибки, вызываемые основными возмущающими (задающими) воздействиями, то остаточные ошибки также уменьшаются с помощью обратной связи.

Для формирования управляющего воздействия в комбинированных автоматических системах используется как непосредственная информация об основных возмущающих воздействиях (изменении задающего воздействия), так и отклонение регулируемой величины от требуемого значения, вызываемое всеми возмущающими воздействиями (изменением задающего воздействия). Благодаря этому: 
1) в комбинированных автоматических системах с помощью компенсационных связей возможно достижение полной компенсации ошибок, вызывае­мых основными возмущающими и задающим воздействиями (возможно достижение инвариантности); 
2) наряду с возможностью полной компенсации ошибок, вызываемых основными воздействиями, в комбинированных автоматических системах с помощью обратной связи уменьшаются ошибки, вызываемые второстепенными возмущающими воздействиями, по которым нет компенсационных связей, а также недокомпенсированные ошибки от основных воздействий; 
3) при нарушении условий компенсации возмущающего воздействия возникающая ошибка уменьшается замкнутой автоматической системой, т. е. комбинированные автоматические системы менее чувствительны к изменениям параметров разомкнутых каналов, чем разомкнутые автоматические системы; 
4) благодаря наличию разомкнутых компенсационных каналов в комбинированных автоматических системах не так остро стоит проблема устойчивости, как в замкнутых автоматических системах.

Естественно, что и точность регулирования, достижимая в комбинированных системах, выше точности всех других автоматических систем. На практике такие автоматические системы сложны и дорогостоящи.

Таким образом, комбинированные автоматические системы являются наиболее совершенными системами, обладающими высокой точностью поддержания регулируемой величины. На рассмотренных принципах строятся не только технические системы автоматического регулирования, но также и системы управления в обществе и регуляционные системы в живых организмах. Поэтому методы исследования технических систем автоматического регулирования в определенной мере могут быть использованы для исследования систем управления в обществе­ и живой природе.