Классификация систем автоматического регулирования

Ниже приведены классификации систем автоматического регулирования (САР), наиболее важные для рассмотрения буровых автоматических систем.

По закону воспроизведения (изменения) регулируемой величины замкнутые САР делятся на три вида:

• • системы стабилизации, поддерживающие заданное значение регулируемой величины. Рассмотренные выше системы относятся к системам стабилизации;
• • системы программного регулирования, изменяющие регулируемую величину по заданному закону во времени или в зависимости от величины другого параметра;
• • следящие системы, изменяющие регулируемую величину в соответствии с неизвестным заранее, непрерывно изменяющимся заданием. Отличаются друг от друга не принципиально, а лишь режимом работы и конструктивно. Они имеют общую теорию и исследуются одинаковыми методами.

S В зависимости от характера регулирующего воздействия на исполнительный элемент системы автоматического регулирования подразделяются на системы непрерывного, импульсного и релейного регулирования.

В системах непрерывного регулирования сигналы на выходе всех элементов системы являются непрерывными функциями сигналов на входе элементов.

Системы импульсного регулирования отличаются тем, что в них через определенные промежутки времени происходит размыкание и замыкание контура регулирования специальным устройством. Время регулирования делится на импульсы, в течение которых процессы протекают так же, как и в системах непрерывного регулирования, и на интервалы, в течение которых воздействие регулятора на систему прекращается. Такие регуляторы применяются для регулирования медленно протекающих процессов (регулирование температуры в промышленных печах, температуры и давления в котлах).

В системах релейного регулирования размыкание контура регулирования производится одним из элементов системы (релейным элементом) в зависимости от внешнего воздействия.

С В зависимости от получаемых результатов различают два вида автоматического регулирования: статическое и астатическое.

Статическим называется такое автоматическое регулирование, при котором регулируемая величина при различных постоянных внешних воздействиях на объект регулирования принимает по окончании переходного процесса различные значения, зависящие от величины внешнего воздействия (например, нагрузки).

На рис. 1.6, а представлен регулятор уровня воды в баке. В регуляторе уровня воды при увеличении расхода воды q ее уровень снижается, через поплавок и рычаг открывается задвижка, приток q возрастает, и наоборот.

Рис. 1.6. Статический регулятор уровня воды прямого действия: а — схема регулятора; б — характерис тика регулятора; 1- задвиж ка; 2 — поплавок

Система статического регулирования имеет следующие характерные свойства:

• • равновесие системы возможно при различных значениях регулируемой величины;
• • каждому значению регулируемой величины соответствует единственное определенное положение регулирующего органа.

Для осуществления такой связи между датчиком и исполнительным элементом контур регулирования должен состоять из так называемых статических звеньев, у которых в состоянии равновесия выходная величина однозначно зависит от входной: х_ВЬ1Х = /(х_вх). К приведенному примеру регулятора объяснение свойств следующее: расход воды q равен притоку q при каком-то строго определенном, своем уровне Я; изменится расход, изменится уровень, приток будет равен расходу — и опять наступит равновесие.

Регулятор, осуществляющий статическое регулирование, называется статическим регулятором.

Для характеристики степени зависимости отклонения регулируемой величины от нагрузки в теории регулирования пользуются понятием неравномерности, или статизма регулирования.

Пусть график зависимости установившихся значений регулируемой величины х от нагрузки q (характеристика регулирования) имеет вид, изображенный на рис. 1.6, б (характеристика регулирования дана в конкретных координатах для регулятора уровня воды в бакс; ниже координаты приводятся в общем виде и для любых статических регуляторов). Максимальное значение регулируемой величины х_тах соответствует холостому ходу объекта (нагрузка отсутствует); минимальное значение x_mj_n — номинальной нагрузке <�у_Ном;

Для определения статизма регулирования воспользуемся относительными координатами:

где (р — относительное значение регулируемой величины; х — сама регулируемая величина; x_mj" - минимальное значение регулируемой величины (при номинальном режиме); x_mj_n и q"_0M — базовые значения величин; л — относительное значение нагрузки.

Тогда неравномерность J (или статизм) системы в общем случае есть частная производная в данной точке (или относительная крутизна характеристики регулирования в этой точке):

Если характеристика регулирования линейная, то статизм будет постоянной величиной для всех значений нагрузки. И он может быть определен следующим образом:

Статический регулятор поддерживает не строго постоянное значение регулируемой величины, а с ошибкой, которая называется статической ошибкой системы. Таким образом, статизм регулирования — это относительная статическая ошибка при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной.

В некоторых системах статическая ошибка (даже сотые доли процента) нежелательна, тогда переходят к регулированию, при котором она равна нулю — к астатическому регулированию. Характеристика регулирования такой системы представляется линией, параллельной оси нагрузки.

Астатическим называется автоматическое регулирование, при котором при различных постоянных значениях внешнего воздействия на объект отклонение регулируемой величины от заданного значения по окончании переходного процесса становится равным нулю.

Рис. 1.7. Астатический регулятор уровня воды непрямого действия: а — схема регулятора: б — характеристика регулятора; 1 — задвижка;

2 — поплавок; 3 — электродвигатель постоянного тока; 4 -реостат

В астатическом регуляторе уровня Н воды в баке (рис. 1.7) поплавок перемещает ползунок реостата в ту или иную сторону в зависимости от изменения уровня от заданного значения и тем самым запитывает двигатель, управляющий положением заслонки. Выключен двигатель будет тогда, когда уровень воды достигнет заданного значения.

Система астатического регулирования имеет следующие характерные особенности:

• • равновесие системы имеет место только при одном значении регулируемой величины, равном заданному;
• • регулирующий орган имеет возможность занимать различные положения при одном и том же значении регулируемой величины.

В реальных регуляторах первое условие выполняется с некоторой погрешностью. Для выполнения второго условия в контур регулирования вводится так называемое астатическое звено. В приведенном примере при отсутствии напряжения (двигатель обесточен) вал двигателя неподвижен в любом положении, а при наличии напряжения — непрерывно вращается.

•/ В зависимости от источника энергии, получаемой регулятором, различают прямое и непрямое регулирование.

В системах прямого регулирования энергия для перестановки управляющего элемента получается от датчика (как пример — статический регулятор уровня воды). В системах непрямого регулирования энергия для перестановки управляющего элемента получается от постороннего источника (пример — астатический регулятор уровня воды).

S В зависимости от вида характеристик элементов, из которых состоят системы, все системы делятся на линейные и нелинейные.

Линейными называются системы, которые состоят только из элементов, имеющих линейные характеристики; переходные процессы в таких элементах описываются линейными дифференциальными уравнениями. Нелинейными называются системы, которые имеют один или несколько элементов с нелинейными характеристиками; переходные процессы в таких системах описываются нелинейными дифференциальными уравнениями.

S При классификации по виду используемой энергии все системы можно подразделить на электрические, гидравлические, пневматические, электрогидравлические, электропневматические и др.

Классификация систем автоматического управления (САУ) по информационному признаку

Информация — любая совокупность сведений, первичным источником которых является опыт.

Информация может быть начальной (априорной) и рабочей.

Начальные сведения — эго те сведения, которые нужны, например, для проектирования системы.

Необходимой начальной информацией называется совокупность сведений об управляющем процессе и управляющей системе, необходимых для построения и функционирования данной САУ и имеющиеся в нашем распоряжении до начала функционирования (постоянная времени, качество регулирования и т. д.).

Рабочей информацией называется совокупность сведений о состоянии процесса, используемых в самом процессе управления.

По виду начальной информации все САУ делятся на три класса: обыкновенные, самонастривающиеся и игровые (рис. 1.8).

Обыкновенные САУ выполняются с полной начальной информацией.

По виду рабочей информации обыкновенные САУ делятся на замкнутые САР, использующие принцип отклонения, и разомкнутые. Первые из них в качестве рабочей информации используют величину отклонения, вторые — не используют. Если в качестве рабочей информации взять задающее (управляющее) воздействие, то САУ можно разделить на следящие, программные и стабилизации.

Рис. 1.8. Классификация САУ по информационному признаку

Разомкнутые САУ по виду рабочей информации делятся на два класса: системы компенсации, в которых в качестве рабочей информации принимаются сведения об изменяющейся нагрузке. В разомкнутых системах программного управления рабочая информация хранится в специальных (запоминающих) устройствах. В качестве этой информации берется программа действия разомкнутой системы управления, программа последовательности действия.

Самонастраивающиеся САУ. Известны все параметры самой системы, а сведения об управляющем процессе неполные. Такие системы приспосабливаются к изменяющейся обстановке, к изменению характеристик процесса.

Системы экстремального регулирования поддерживают значение регулируемой величины на экстремуме (максимум или минимум) путем подачи поисковых сигналов.

В системах с самонастраивающимися (перестраивающимися) устройствами параметры или структура автоматически изменяются в зависимости от управляющих и возмущающих воздействий.

В самооптимизирующиеся (самонастраивающиеся) системы входят вычислительные машины.

Игровые системы — системы с минимальной начальной информацией.