Классификация систем автоматического регулирования

Системы автоматического регулирования можно классифицировать по следующим основным признакам:

• — принципу регулирования;
• — функциональному признаку;
• — виду используемой энергии;
• — способу передачи и преобразования сигнала;

• — числу регулируемых параметров;
• — величине установившейся ошибки.

По принципу регулирования САР разделяются на три вида: системы регулирования по отклонению, системы регулирования по возмущению, комбинированные системы.

Принцип регулирования по отклонению (рис. 2.2, а) заключается в том, что регулирующее воздействие в системе возникает при отклонении регулируемого параметра от заданного значения независимо от вида возмущений и места их возникновения. В этом отношении системы такого вида универсальны, но они имеют недостаток: действие системы начинается лишь при наличии отклонения регулируемого параметра, следовательно, невозможно обеспечить точное поддержание его на заданном значении. Системы, работающие по данному принципу, являются замкнутыми системами автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. Рассмотренная выше схема (см. рис. 2.1) соответствует именно такой системе.

Принцип регулирования по отклонению впервые был применен И. И. Ползуновым в регуляторе уровня воды в котле паровой машины; этот же принцип был использован Д. Уаттом в регуляторе скорости вращения вала паровой машины.

Рис. 2.2. Схема регулирования:

а — по отклонению; 6 — по возмущению; в — комбинированная Примером применения САР по отклонению может служить система автоматического регулирования температуры пастеризации молока в отечественных пастеризационно-охладительных установках типа ОПУ. В этих установках температура молока, выходящего из секции пастеризации, измеряется датчиком. При отклонении ее от заданной регулирующее устройство с помощью исполнительного механизма ИМ и регулирующего органа РО изменяет количество пара, поступающего в инжектор, что вызывает необходимое изменение температуры горячей воды в бойлере. В этой схеме регулирования выходной параметр системы (температура пастеризации) связан обратной связью через регулятор с входным параметром системы — количеством подаваемого пара.

Принцип регулирования по возмущению (рис. 2.2, 6) был предложен французским ученым Ж. Понселе (/. Poncelet). Системы, работающие по этому принципу, являются разомкнутыми системами. В них сигнал о появлении возмущения поступает непосредственно в регулятор, который создает компенсирующее воздействие на входе объекта, не допуская изменения входного параметра.

Таким образом, система регулирования по возмущению должна обеспечить статическое состояние системы. Обычно это достигается стабилизацией тех входных параметров системы, которые могут изменяться в процессе се работы. Но так как в большинстве случаев в реальных системах автоматического регулирования происходит изменение большого числа входных параметров, то возникает необходимость установки значительного числа стабилизирующих устройств, что усложняет и удорожает систему.

Принцип регулирования по возмущению использован в системе автоматического регулирования температуры пастеризации молока на пастеризационной установке ОПУ. В этой установке количество молока, подаваемого в пастеризатор, стабилизируется регулятором прямого действия, а количество подаваемого в систему тепла — регулятором давления пара.

Наиболее эффективными являются системы, сочетающие оба рассмотренных принципа, так называемые комбинированные системы (рис. 2.2, в). В комбинированных системах регулирование производится одновременно по разомкнутому и замкнутому циклам. Наиболее значительные внешние возмущения компенсируются регуляторами, действующими по принципу регулирования по возмущению, а влияние всех остальных возможных возмущающих воздействий устраняется регулятором, действующим по принципу регулирования по отклонению.

Именно так осуществляется стабилизация температуры пастеризации в отечественных установках. Рассмотренные выше системы регулирования по отклонению и возмущению представляют собой соответствующие части единой комбинированной системы. В дальнейшем мы более подробно остановимся на ее работе, гак же как и на всей системе автоматического управления процессом пастеризации.

По функциональному признаку, т. е. в зависимости от назначения, САР подразделяются на системы автоматической стабилизации, системы программного регулирования, следящие системы.

Системы автоматической стабилизации предназначены для поддержания с заданной точностью наперед заданного значения регулируемого параметра. Основная задача стабилизирующих систем — компенсация возмущающих воздействий.

Системы программного регулирования предназначены для регулирования какого-либо параметра во времени по определенному закону, т. е. согласно заранее заданной программе. Примером программного регулирования может служить система регулирования температуры нагрева и охлаждения консервов в процессе стерилизации.

Следящие системы автоматического регулирования представляют частный случай программного регулирования. В таких системах регулирование параметра происходит не по заданной программе, а в зависимости от значения другого параметра, изменение которого во времени неизвестно. Примером следящей системы является система регулирования температуры воздуха в охлаждающей камере в зависимости от изменения его влажности.

По виду используемой энергии, применяемой для передачи воздействий, и конструкции основных элементов функциональной схемы можно разделить САР на три основных вида: электрические, пневматические, гидравлические.

В электрических САР связь между элементами функциональной схемы электрическая, для перемещения регулирующего органа также используются электрическая энергия. Достоинство таких САР — возможность передачи электрических сигналов практически на любые расстояния; недостатком является пожарои взрывоопасность, что ограничивает применение электрических систем во взрывоопасных технологических процессах.

Электрические системы чувствительны к воздействиям окружающей среды. В помещениях с повышенной влажностью, что характерно для условий мясомолочных производств, значительно снижается срок службы технических средств автоматики электрических систем. В таких условиях применяются приборы и технические средства автоматики во влагозащищенном исполнении.

В пневматических САР связь между элементами функциональной схемы пневматическая, воздействия передаются в виде импульсов давления сжатого воздуха. Регулирующие органы приводятся в действие также энергией сжатого воздуха. Достоинства пневматических САР — безопасность использования их для управления взрывоопасными процессами и достаточная надежность работы в условиях повышенной влажности; недостатки — ограниченная протяженность пневмопроводов и малая мощность, развиваемая ими при перемещении регулирующего органа; необходима также специальная подготовка применяемого воздуха (очистка от масла, осушка).

В гидравлических САР связь между элементами функциональной схемы осуществляется с помощью гидропроводов. Достоинства таких систем — пожарои взрывобезопасность, и большая мощность гидравлических исполнительных механизмов, используемых для перемещения регулирующих органов. Однако гидросистемы являются сложными и дорогими устройствами, поэтому они имеют меньшее применение при автоматизации технологических процессов.

Все рассмотренные САР характеризуются общим признаком: связь между элементами функциональной схемы, а также привод регулирующих органов осуществляются за счет использования вспомогательной энергии. Такие системы называются системами непрямого (косвенного) действия.

Наряду с указанными, имеются также САР, называемые системами прямого действия. В этих системах для перемещения регулирующего органа используется энергия регулирующей или регулируемой среды, как, например, в регуляторах температуры и давления прямого действия.

По способу передачи и преобразования сигнала САР подразделяются на системы непрерывного и дискретного действия.

В САР непрерывного действия преобразование входных величин в выходные во всех функциональных элементах САР, а также функциональная связь между регулятором и объектом осуществляются непрерывно в процессе всей работы системы.

В САР дискретного действия по меньшей мере один функциональный элемент является релейным и преобразует непрерывную входную величину в прерывистую, дискретную через определенные промежутки времени либо при достижении определенных значений входной величины.

По числу регулируемых параметров в зависимости от числа обратных связей САР разделяются на одноконтурные и многоконтурные.

Одноконтурными САР называют системы, имеющие одну главную обратную связь. В таких системах регулируется только один параметр.

Многоконтурные САР имеют несколько главных обратных связей. В таких системах регулируется несколько параметров, число которых определяет число главных обратных связей. Местные обратные связи, охватывающие один или несколько элементов функциональной схемы системы, вводятся с целью улучшения ее динамических характеристик.

По характеру действия регулятора различают два вида САР: статические и астатические.

Статической САР называют систему, в которой регулируемый параметр при различных по величине внешних возмущающих воздействиях на регулируемый объект принимает по окончании процесса регулирования, т. е. в новом установившемся состоянии, значение, зависящее от величины внешнего воздействия и отличное от заданного значения регулируемого параметра. Это отклонение нового значения регулируемого параметра от заданного называется статической ошибкой.

При этом величина статической ошибки будет тем больше, чем больше было возмущающее воздействие.

Таким образом, в статических САР различным установившимся значениям возмущающих воздействий на регулируемый объект соответствуют различные установившиеся значения регулируемого параметра, лежащие в заранее заданных пределах. Зависимость регулируемого параметра от величины возмущающего воздействия при различных установившихся состояниях системы называют статической характеристикой системы регулирования. Каждому значению регулируемого параметра соответствует определенное положение регулирующего органа; перемещение регулирующего органа от полного открытия до полного закрытия вызывает соответствующие изменения регулируемого параметра от максимального до минимального значения.

Таким образом, основной особенностью статической системы автоматического регулирования является наличие статической ошибки регулирования и зависимость положения регулирующего органа от значения выходной величины.

Астатической САР называют систему, в которой отсутствует статическая ошибка, т. е. при любых возмущающих воздействиях выходной параметр системы после окончания действия регулятора принимает заданное (номинальное) значение. При этом положение регулирующего органа регулятора может быть любым в пределах от полного закрытия до полного открытия.

Из рассмотрения статических и астатических систем регулирования следует, что астатические системы автоматического регулирования являются наиболее точными в установившемся состоянии.

Системы автоматического регулирования (рис. 2.3) следует рассматривать как частный случай систем автоматического управления. В задачу последних входит в данной ситуации, определяемой значениями контролируемых входных параметров и возмущениями, найти такие значения управляющих воздействий, при которых выходные (управляемые) параметры принимают экспериментальные значения.

Деление систем на приспосабливающиеся и не приспосабливающиеся основано на способности или неспособности той или иной системы осуществить контролируемые воздействия. Контролируемые воздействия могут осуществляться путем соответствующей настройки параметров, введением управляющих воздействий (самонастраивающаяся система) и изменением структуры системы (самоорганизующаяся) или алгоритма управления (самоалгоритмизующаяся). Автоматические системы, способные производить подобные контролируемые воздействия, относятся к классу приспосабливающихся. Не приспосабливающиеся системы неспособны производить контролируемые изменения. В них вся имеющаяся предшествующая информация используется для выбора и реализации таких свойств системы управления, которые являются оптимальными для некоторых типовых и внутренних условий работы, что характерно в частности для систем регулирования.

Приспосабливающиеся (адаптивные) системы управления применяются для объектов с широким диапазоном изменения их свойств и режимов функционирования при неполной априорной информации об условиях работы системы.

Наличие процесса получения дополнительных сведений об условиях работы системы по текущей информации и использование этих сведений в процессе управления являются отличительными чертами приспосабливающихся систем управления.

Самоалгоритмизирующимися называют системы, которые сами определяют наивыгоднейшую программу своей работы, в отличие от ранее рассмотренных не приспосабливающихся систем, где такая программа задается извне.

Рис. 2.3. Классификация автоматических систем управления.

Самонастраивающимися (с самонастройкой параметров) называются системы, которые по заданному показателю качества работы сами производят корректировку параметров настройки регулятора при возникающих изменениях возмущающих сил, свойств объекта или характеристик отдельных элементов регулятора. В системе содержится автоматический анализатор, определяющий отклонение показателя качества для настраивающего устройства, воздействующего на регулятор.

Самоорганизующиеся системы с самонастройкой структуры, но заданному или выбранному критерию качества (или комбинации нескольких различных критериев) путем автоматического поиска, используя вычислительные и логические устройства, выбирают из ряда заранее подготовленных структур наилучшую, оптимально отвечающую заданным условиям работы.

На рис. 2.4 представлена типовая функциональная схема приспосабливающейся системы. Устройство оценки внешнего воздействия ЛВ выполняет контроль и анализ возмущающих воздействий на систему объект (ОУ) — регулятор (Р); устройство оценки процесса АП осуществляет расчет качества процесса и свойств объекта, информация о внешних воздействиях на объект и ходе технологического процесса анализируется логическим элементом ЛЭ, который через исполнительный элемент ИЭ осуществляет необходимую корректировку работы регулятора Р.