Принцип регулирования по отклонению (по ошибке)

Этот принцип построения автоматических регуляторов предложен и впервые осуществлен на практике в 1765г. знаменитым русским механиком И. И. Ползуновым в регуляторе уровня воды в котле изобретенной им паровой машины. Несколько позже (и независимо от Ползунова) этот принцип использовал английский механик Дж. Уатт при разработке центробежного регулятора скорости вращения выходного вала паровой машины. В связи с этим принцип регулирования по отклонению часто называется принципом Ползунова—Уатта. Основная задача любой CAP состоит в выполнении равенства (1.1) с той или иной степенью точности. Чем точнее соблюдается равенство (1.1), тем лучше CAP. Поэтому естественно качество работы CAP характеризовать разностью

x(t) = g(t)—y(t) (1.2)

между требуемым законом изменения регулируемой величины g(t) и действительным законом ее изменения y(t). Функция x(t) определяет ошибку работы CAP: чем меньше х, тем лучше система. При идеальной работе CAP

x(t) =0 (1.3)

для всех моментов времени. Для реальных систем ошибка (1.2) отлична от нуля и речь может идти лишь об уменьшении ее до допустимых пределов.

В том случае, когда требуемым законом изменения регулируемой величины является постоянное значение g(t) = g°= const. для оценки качества работы CAP иногда используют так называемое отклонение

Dy(t) = y(t) - g^o. (l.4)

Ясно, что при этом отклонение и ошибка отличаются только знаком.

Идея, лежащая в основе принципа регулирования по ошибке, весьма проста. Состоит она в том, что тем или иным путем определяется ошибка САР (1.2) и в зависимости от величины и знака этой ошибки осуществляется регулирующее воздействие на объект регулирования, сводящее ошибку к нулю, т. е. обеспечивающее изменение регулируемой величины по требуемому закону. При х > 0 регулирующее воздействие должно увеличивать регулируемую величину у, а при х < 0 — уменьшать. При х = 0 регулируемая величина равна требуемому значению, и регулирующий орган должен быть неподвижен.

В общем случае для определения сигнала ошибки x используются три элемента: задающий, чувствительный и сравнивающий.

Задающий элемент служит для формирования воздействия g(t), характеризующего требуемый закон изменения регулируемой величины.

Чувствительный элемент предназначен для измерения действительных значений регулируемой величины у(t).

Сравнивающий элемент представляет собой простейшее вычислительное устройство, определяющее сигнал ошибки в соответствии с формулой (1.2). При конкретном выполнении CAP, работающих по ошибке, задающий, сравнивающий и чувствительный элементы часто конструктивно объединяются.

Рисунок 1.4 – Функциональная схема системы автоматического регулирования, работающая по ошибке.

Все сказанное резюмирует функциональная схема CAP, работающая по ошибке (рис. 1.4). В этой схеме регулируемая величина у измеряется чувствительным элементом ЧЭ и подается на вход сравнивающего элемента СЭ. На другой вход сравнивающего элемента поступает задающее воздействие g, выработанное в задающем элементе ЗЭ. На выходе сравнивающего элемента образуется сигнал ошибки (1.2), характеризующий отличие истинного закона изменения y(t) от требуемого g(t). После преобразования в промежуточных элементах ПЭ сигнал ошибки поступает на исполнительный элемент ИЭ, перемещающий регулирующий орган РО таким образом, чтобы свести сигнал ошибки к нулю (или к допустимой величине), т. е. обеспечить выполнение равенства (1.1). Чувствительный, сравнивающий, промежуточные и исполнительный элементы в совокупности образуют автоматический регулятор АР.

На вход регулятора поступают задающее воздействие g и регулируемая величина у. Выходной величиной регулятора является регулирующее воздействие m, приложенное к регулирующему органу. Задающее воздействие g и возмущения f₁, f₂, f₃, … приложены к системе регулирования извне и поэтому часто объединяются термином внешние воздействия, хотя «отношение» системы регулирования к ним совершенно разное: задающее воздействие должно воспроизводиться на выходе CAP, тогда как вредное влияние возмущений f₁, f₂, f₃,…должно системой регулирования ликвидироваться.

В отличие от регулирования по возмущению, при регулировании по ошибке ни одно из возмущающих воздействии не измеряется.

Основным преимуществом CAP, работающих по ошибке, перед CAP, реализующими принцип регулирования по возмущению, является их способность выполнять задачу регулирования при любом числе возмущающих воздействий. Объясняется это тем, что в CAP, работающих по ошибке, ни одно возмущение не измеряется; работа системы не связана ни с каким конкретным возмущением. Вместо возмущений в таких системах непрерывно измеряется ошибка (1.2), характеризующая соответствие действительного закона изменения регулируемой величины требуемому. В том случае, когда ошибка x ¹ 0. т. е. когда регулируемая величина меняется по закону, отличному от требуемого, регулятор создает регулирующее воздействие на объект регулирования, уменьшающее ошибку х до нуля (или до допустимой величины). При этом система совершенно «не интересуется» тем, какие причины, какие конкретно возмущающие воздействия вызвали отклонение регулируемой величины от требуемого закона изменения. Система регистрирует сам факт появления ошибки (какими бы причинами эта ошибка не была вызвана) и предпринимает меры для ее ликвидации.

Вторым преимуществом CAP, работающих по ошибке, является отсутствие жестких требований к стабильности характеристик элементов регулятора и объекта. Объясняется это тем, что изменение параметров регулятора или объекта приводит к появлению ошибки, которая немедленно.обнаруживается системой и ликвидируется соответствующим перемещением регулирующего органа.

Следует иметь в виду, что отмеченное преимущество CAP, работающих по ошибке, не относится к чувствительному, сравнивающему и задающему элементам регулятора, принимающим участие в выявлении сигнала ошибки х. К стабильности характеристик этих элементов предъявляются весьма жесткие требования, так как точность работы CAP прежде всего обусловливается той точностью, с которой измеряется сигнал ошибки.

Таким образом, CAP, работающие по ошибке, лишены основных недостатков CAP, работающих по возмущению. Это обстоятельство явилось причиной того, что в настоящее время принцип регулирования по ошибке (по отклонению) является основным принципом построения автоматических регуляторов в самых различных областях техники.

Преимущества CAP, работающих по ошибке, объясняются тем, что эти системы представляют собой системы с обратной связью. Под обратной связью вообще понимают подачу сигнала с выхода какого-либо устройства на его вход. В том случае, когда сигнал обратной связи складывается с входным сигналом, обратная связь называется положительной, если вычитается — отрицательной. Для систем регулирования входным сигналом является задающее воздействие g, выходным — регулируемая величина у. Обратная связь в CAP заключается в том, что регулируемая величина у измеряется чувствительным элементом и подается на вход сравнивающего элемента. Так как сигнал у вычитается из сигнала g (см. рис. 1.4), то CAP, работающие по ошибке, представляют собой системы с отрицательной обратной связью.

Характерной особенностью систем с отрицательной обратной связью является то, что эти системы работают от сигнала ошибки: возникновение ошибки обязательно приводит к появлению факторов, вызывающих ее уменьшение или полную ликвидацию.

Наличие обратной связи в CAP, работающих по ошибке, приводит к образованию замкнутого контура передачи воздействий. Регулятор действует на объект; объект в свою очередь воздействует на регулятор. В связи с этим CAP, реализующие принцип регулирования по ошибке (как и вообще все системы с обратной связью) часто называются системами, работающими по замкнутому циклу, или просто замкнутыми системами.

В то же время системам с обратной связью (и, в частности, CAP, работающим по ошибке) присущи и некоторые недостатки. Прежде всего сам принцип регулирования по ошибке внутренне противоречив. Так как регулирующее воздействие, направленное на ликвидацию ошибки х, появляется только при x ¹ 0, то, следовательно, прежде чем ликвидировать ошибку, необходимо допустить ее возникновение. Кроме того замкнутые системы по своей природе склонны к колебаниям. Поэтому расчет таких систем существенно сложнее и труднее, чем расчет систем, работающих по разомкнутому циклу.

Оба отмеченных недостатка CAP, работающих по ошибке, отсутствуют у систем, работающих по возмущению. В то же время, как уже указывалось, системы, работающие по ошибке, лишены основных недостатков систем, работающих по возмущению. Поэтому, естественно, возникла идея: использовав оба основных принципа регулирования в одной системе, попытаться создать САР, по возможности лишейную недостатков, присущих как тому, так и другому принципам регулирования, взятым по отдельности.

Системы, в которых одновременно используется как регулирование по ошибке, так и регулирование по возмущению, называются системами комбинированного регулирования. Такие системы (рис. 1.5) обычно представляют собой сочетание двух систем, одна из которых работает по разомкнутому, а вторая — по замкнутому циклу.

Система, работающая по разомкнутому циклу, обеспечивает инвариантность регулируемой величины по отношению к одному из основных возмущений (f₁ на рис. 1.5 ), наиболее сильно влияющему на регулируемую величину. Система, работающая по замкнутому циклу, ликвидирует вредное влияние всех других возмущающих воздействий.

Рисунок 1.5 - Функциональная схема комбинированной системы автоматического регулирования с регулированием по возмущающему воздействию.

Промежуточные и исполнительный элементы у обеих систем обычно являются общими. В ряде случаев для преобразования сигнала, пропорционального возмущению, могут использоваться самостоятельные промежуточные элементы.

Системы комбинированного регулирования представляют собой один из наиболее совершенных типов CAP. Они широко используются при повышенных требованиях, предъявляемых к точности работы CAP. Разумеется, для применения комбинированных CAP хотя бы одно из основных возмущающих воздействий должно поддаваться измерению.