В начало

Разновидности  САР и САУ (Лекция)

 

I)                  По методу управления САР и САУ  делятся на:

а) системы, неприспосабливающиеся к изменяющимся  режимам работы объекта регулирования;

б)  приспосабливающиеся системы, т.е. адаптивные.

 

Неприспосабливающиеся системы - это наиболее простые системы, которые не изменяют своей структуры и параметров в процессе управления. Для этих систем на основе информации существующей до начала их работы (т.е. априорной) выбирают структуру и рассчитывают параметры, обеспечивающие заданные свойства системе для типовых и наиболее вероятных условий ее работы. Этот класс систем включает в себя три типа:

1). Стабилизирующие системы – обеспечивают  поддержание регулируемой величины на постоянном заданном значении. Например: система автоматического регулирования, поддерживающая  заданное значение расхода воздуха на дутье доменной печи.

2). Программные системы – обеспечивают изменение регулируемой величины во времени по заранее заданной программе. Например: система автоматического регулирования, обеспечивающая изменение расхода воздуха по ходу продувки в конвертере.

3). Следящие системы – обеспечивающие изменение регулируемой величины  в заданном соотношении с управляющим воздействием, которое изменяется произвольным образом, не зависящим от данной системы. Например: система автоматического регулирования соотношения топливо – воздух при управлении сжиганием топлива в мартеновской печи.

Большинство систем, действующих в настоящее время, относится к  неприспосабливающимся системам. Их структура и настройка определяется при проектировании и наладке  и в дальнейшем автоматически не изменяется. При необходимости перенастройка системы может осуществляться вручную.

 

Приспосабливающиеся системы – это такие системы, в которых параметры управляющих устройств или алгоритмы управления автоматически и целенаправленно изменяются для осуществления управления объектом, причем характеристики объекта или внешнее воздействие на него могут изменяться непредвиденным образом. Адаптивная система способна изменить свою структуру, параметры или программу действий в процессе управления. Особенный случай адаптивной системы это – экстремальные системы, которые автоматически ищут экстремум регулируемой величины, а так как его положение изменяется в процессе работы объекта, система автоматически изменяет направление поиска, скорость поиска и т. д. Примером экстремальной системы является САР температуры в печи, отапливаемой газом.

Требуется обеспечить максимальную температуру в печи, т.е. экстремум регулируемой величины  при   любых расходах топлива и изменении других параметров работы печи (рис. 6.1). Значение температуры печи – выходной величины объекта управления при данном топливе будут зависеть от расхода воздуха – входной величины объекта.

 

Рис. 1. Статическая характеристика экстремальной САР

 

Если воздуха мало, то топливо сгорает не полностью и температура в печи меньше заданной. Если воздуха в печи много, то топливо сгорает полностью, но требуется тепло на нагрев избыточного воздуха, ненужного на сжигание топлива, и температура в печи также меньше необходимой. Если расход воздуха близок к теоретически необходимому для сжигания топлива (), достигается максимальная температура в печи . Кривые 1  и 2  относятся к разным режимам работы печи.

Адаптивные системы реализуются с использованием ЭВМ и, следовательно, по существу их следует отнести к АСУТП работающим в супервизорном режиме или режиме непосредственного цифрового управления. Исключение составляют некоторые экстремальные системы.

Для работы ЭВМ необходимо наличие аналитического описания объекта, т.е. его математической модели и алгоритмов адаптации и управления.

 

II)               По характеру использования информации САР и САУ делятся на:

а) замкнутые системы;

б) разомкнутые системы;

в) комбинированные системы.

 

Замкнутые системы для своей работы используют текущую рабочую информацию о выходных величинах, определяют отклонение регулируемой величины от заданного значения и принимают меры для устранения этого отклонения.

 

Рис. 2. Схема функциональной структуры замкнутой САР температуры в печи

 

На рис. 6.2 представлена структура САР температуры t_n в печи 1. Чувствительным элементам – датчиком температуры служит термопара 2 (поз. обозн. 1а) Информация о значении температуры в печи поступает на показывающий и регистрирующий прибор 3 (поз. обозн. 1б),  а с него в регулятор 5 (поз. обозн. 1г). В регулятор с задатчика 4 (поз. обозн. 1в) поступает сигнал о заданном значении температуры t_no, в состав которого входит сравнивающий элемент. Сравнивающий элемент вырабатывает отклонение ε = t_по - t_п, и в соответствии с алгоритмом управления, регулятор формирует управляющее воздействие. Это воздействие в виде управляющего сигнала передаётся на исполнительный механизм 6 (поз. обозн. 1д), обеспечивающий перемещение регулирующего органа 7 (поз. обозн. 1е). В качестве регулирующего органа используется поворотная заслонка в трубопроводе. Если температура в печи меньше заданной, то расход топлива увеличивается, а если больше - то  уменьшается.

В рассмотренном примере имеется замкнутый контур регулирования, в котором информация о результатах работы объекта, т.е. о значениях регулируемой выходной величины поступает на его вход в преобразованном виде. Такая подача сигнала называется обратной связью. А элементом обратной связи является регулятор, обеспечивающий отрицательную обратную связь т.к. его действие направлено на уменьшение и устранение  отклонения регулируемой величины от заданного значения.

 Замкнутые системы работают при возмущениях действующих по любым каналам, т.к. регуляторы в таких системах вступают в действие при наличии ошибки регулирования ε независимо от того, чем вызвано появление этого отклонения. Замкнутые системы не могут обеспечить соответствие заданного и реального значений регулируемой величины во всем диапазоне управления (Х=Хо). Это равенство может установиться лишь в конце переходного процесса в положении равновесия.

 

Разомкнутые системы не используют рабочую информацию о регулируемых величинах т.к. отсутствует обратная связь. Работа таких систем основана на информации о входных величинах.

Разомкнутые системы делятся на:

1) системы с жесткой программой.

2) системы с регулированием или управлением по возмущению.

Примером системы с жесткой программой  служит система автоматического пуска и останова комплекса механизмов, в котором должна выдерживаться определенная последовательность работы отдельных механизмов (рис.6.3).

  

OP

P

                            Y(τ)                   X(τ)

                  

 

Рис. 3. Структурная схема разомкнутой САР с жёсткой программой

 

На вход регулятора поступает определенная программа действий Х₀(t). Регулятор, являющийся устройством, реализующим заданную программу, вырабатывает регулирующее воздействие Y(t) обеспечивающее необходимое изменение  Х(t). В металлургии примерами разомкнутых систем являются: система автоматического управления загрузкой доменной печи, система автоматической перекидки клапанов мартеновской печи.

 

Разомкнутые системы с регулированием по возмущению используют информацию о входных величинах – возмущениях и принимают меры, чтобы указанные возмущения не оказывали влияние на выходную величину, т.е. как бы компенсируют их. Поэтому их называются инвариантными или системами с компенсацией возмущений. Рассмотрим структуру разомкнутой системы автоматического регулирования температуры в печи (рис 6.4), по своим задачам аналогичную замкнутой САР, рассмотренной выше (рис 6.2).

 

Рис. 4. Схема функциональной структуры разомкнутой САР температуры в печи с регулированием по возмущению

 

Регулируемой величиной является температура t_n в печи 1. Основным возмущением является изменение давления газа в газопроводе, которое вызывает изменение расхода топлива и изменение температуры в печи, т.е. изменение регулируемой величины. Для компенсации влияния возмущения на значение выходной величины применяют регулятор 6 (поз. обозн. 2в),  называемый компенсатором возмущений. Регулятор получает информацию о значении давления газа  от датчика давления 4 (поз. обозн. 2а) и заданном значении давления от ручного задатчика 5 (поз. обозн. 2б). Затем по заранее заданной программе с помощью исполнительного механизма 7 (поз. обозн. 2г) регулятор изменяет положение регулирующего органа 8 (поз. обозн. 2д).  Давление перед горелкой при правильно выбранной структуре и законе действия компенсатора не будет зависеть от давления в газопроводе и, следовательно, не  будет сказываться на расходе топлива и значении  температуры в печи. В этом заключается принцип компенсации возмущений.

В рассмотренном примере регулируемая величина – температура в печи измеряется термопарой 2 (поз. обозн. 1а) и регистрируется прибором 3 (поз. обозн. 1а). Но эта текущая информация не используется системой регулирования, т.е. отсутствует обратная связь по результатам работы системы. Контур компенсации возмущения разомкнут, т.е. выходная величина контура не оказывает влияния на входную величину – изменение давления в газопроводе.

Приведенный пример, показывает, что возможна компенсация определенного контролируемого возмущения. Если таких возмущений несколько, то для компенсации каждого из них необходим свой контур.

Но в системе всегда имеются возмущения, в том числе случайные и не контролируемые, которые могут вызвать отклонение регулируемой величины от заданного значения, поэтому на практике часто используют комбинированные системы автоматического регулирования. Они сочетают в себе оба принципа регулирования: по отклонению и по  возмущению. В системе используется один регулятор для регулирования по отклонению, а для компенсации возмущений используется разомкнутые контуры с устройствами ввода возмущения (УВВ), которые изменяют задание регулятору в зависимости от величины возмущений Z (рис 6.5).

	УВВ

 

            Z                                                            Z

 

Р

ОР

 

 

           X

 

Рис. 5. Структурная схема комбинированной  САР:

 

III)            По результатам работы в установившемся состоянии системы делятся на:

а) астатические системы;

б) статические системы.

В астатических системах регулируемая величина после окончания переходного процесса точно равна заданному значению. Практически она может отличаться на некоторую малую величину, обусловленную нечувствительностью системы (рис.6.6).

 

      X                          1

 

 

    X01

 

 

     X0

                                                          2

                                                                                                            τ

 

Рис. 6. Графики переходных процессов в астатической системе

График 1 (рис. 6.6) характеризует переходный процесс в системе при  изменении заданного значения регулируемой величины с Х₀ до Х₀₁. График 2 – при прочих возмущениях и сохранении заданного значения Х₀

В статической системе после окончания переходного процесса возникает разность между заданным и установившимся значениями регулируемой величины (рис. 6.7). Эта разность называется статической ошибкой. Она зависит от величины возмущения, в том числе задания и от параметров настройки регуляторов, но принципиально неизбежна в статических системах.

         X

 

                                     1      

 

          X01

                                                                                              

                                                                      

         X0

                                                       2                                                    τ  ,с  

 

 

Рис. 7. Графики переходных процессов в статической системе: 1 - переходный    процесс в статической системе при  изменении заданного значения регулируемой величины с Х₀ до Х₀₁;  2 – при прочих возмущениях и сохранении заданного значения Х₀

 

IV)            По числу регулируемых величин системы бывают:

а) одномерные;

б) многомерные.

К одномерным системам относятся простейшие системы с одной регулируемой величиной, например в электрической нагревательной печи с неконтролируемой системой  имеется одна регулируемая величина – температура. Большинство систем относится к многомерным, т.к. они имеют множество регулируемых величин. В некоторых многомерных системах можно выделить несколько каналов регулирования, в которых каждая регулируемая величина определяется своим регулирующим воздействием и канал имеет свой регулирующий орган. Положение его практически не оказывает влияния на другие регулируемые величины,  в этом случае объект как бы распадается на несколько одномерных объектов со своими одномерными системами регулирования, такие системы являются автономными по задающим и регулирующим воздействиям.

 Вместе с тем многомерные системы характеризуются наличием связей между регулируемыми величинами, такие системы называются многосвязными. Связи между регулируемыми величинами могут быть двух родов:

1) Внутренние - обусловленные физическими свойствами объектов (если, например, в печи регулируется температура свода, содержания кислорода в продуктах сгорания и давление  в рабочем пространстве, то изменение расхода топлива, предназначенного для управления температурой свода, будет оказывать влияние и на содержание кислорода в продуктах сгорания и на давление в рабочем пространстве).

2) Внешние связи - т.е. накладываемые на систему по условиям ее функционирования или на основе требований технологического процесса, например, при автоматическом составлении шихты агломерационного процесса, задание регулятором количества отдельных компонентов устанавливается в зависимости от потребного суммарного количества шихты.

 

V)               По характеру изменения регулирующих воздействий во времени:

а)  непрерывные системы;

б) дискретные системы.

В непрерывных системах информация об их работе и регулирующие воздействия являются непрерывными функциями времени, т.е. в каждом элементе системы при наличии непрерывного изменения входной величины также непрерывными являются и выходные величины.

В дискретных системах информация и регулирующие воздействия появляются только в определенные моменты времени. Дискретные системы делятся на три класса:

1)Релейные системы;

2) Импульсные системы;

3) Цифровые системы.

В релейных системах один из элементов (обычно регулятор) имеет релейную характеристику (рис. 6.8). 

 

                    Хвых

 

 

 

 

                                         А                       Хвх

 

 

Рис. 8. Статическая характеристика релейного регулятора

В релейной системе выходная величина Хвых изменяется скачкообразно на величину А при определенном значении входной величины Хвх. В релейных системах происходит квантование выходной величины Хвых по уровню.

 В импульсных системах существует хотя бы один элемент с импульсной характеристикой: при непрерывном изменении входной величины, выходная величина появляется только в определенные, дискретные моменты времени. Импульсные системы осуществляют квантование выходной величины Хвых по времени. Обычно импульсным элементом является регулятор (рис. 6.9).

 

ИМ

ИЭ

ε(τ)                      Хвых(τ)                 Y  (τ)                     

 

 

Рис. 9. Структурная схема импульсного регулятора

 

Регулятор состоит из импульсного элемента (ИЭ) и исполнительного механизма (ИМ), формирующего управляющие воздействия Y(τ), в определённые моменты времени. На выходе импульсного элемента формируются импульсы Х_вых(τ), параметры которых зависят от входной величины ε(τ),  причем импульсные элементы могут осуществлять амплитудную и широтную модуляцию.

 

 

 

 

 

Рис. 10. Графики: а) изменения во времени отклонения регулируемой величины от      заданного значения ε(τ); б)   формирования  во времени импульсов х_вых.и (τ); в) работы исполнительного механизма импульсного регулятора,   осуществляющего амплитудную модуляцию Y(τ)

 

Рассмотрим работу импульсного элемента первого вида (рис. 6.10). Импульсы формируются через одинаковые промежутки времени Ти, называемые периодом импульса и имеют одинаковую продолжительность τ_и  -  время импульса. Высота или амплитуда импульса пропорциональна входной величине - ошибке регулирования ε(τ) [6.1].

Элементы такого вида обеспечивают амплитудную модуляцию импульсов:

 

,                                                                                               [6.1]

где К_и – импульсный коэффициент усиления:

График работы ИМ (рис.6.10) показывает, что  механизм включается при поступлении на него импульса и работает в течение времени импульса τu, после чего останавливается. Скорость выходного вала исполнительного механизма пропорциональна высоте импульса т.е. входной величине ε(τ) в момент начала импульса.

           Рассмотрим работу импульсного элемента второго вида (рис 6.11).

Рис. 11. Графики: а) изменения во времени отклонения регулируемой величины от      заданного значения ε(τ); б)   формирования  во времени импульсов х_вых.и (τ); в) работы исполнительного механизма импульсного регулятора,   осуществляющего широтную модуляцию Y(τ)

 

  Этот импульсный элемент обеспечивает широтную модуляцию импульсов:

,                                                                                                         [6.2]

где К_и – импульсный коэффициент усиления.

Высота импульса х_вых.и одинакова, а время импульса [6.2] пропорционально отклонению регулируемой величины от заданного значения ε(τ). В регуляторе скорость выходного вала исполнительного механизма постоянна, а время включения равно времени импульса τ_и.

К дискретным системам относятся и цифровые системы, использующие в своем составе различные цифровые устройства: ЭВМ, цифровые измерительные приборы, микропроцессорные регуляторы.

  В цифровых системах осуществляется квантование величин и по уровню и по  времени, т.е.  они являются релейно-импульсными. Цифровые системы обладают высоким быстродействием, имеют малый интервал квантования по  времени   и по результатам своей работы близки к непрерывным системам.

 

 

VI)            По виду энергии применяемой для работы:

а) прямого действия;

б) косвенного действия.

В системах прямого действия для перемещения регулирующего органа применяется внутренняя энергия системы, например, энергия чувствительного элемента.

 В системах косвенного действия для работы используется внешняя энергия.

 В зависимости от вида используемой внешней энергии, системы косвенного действия делятся на:

1) электрические;

2) пневматические;

3) гидравлические;

4) комбинированные.