Тема 2.1 Автоматическое регулирование

2.1.1Система автоматического регулирования (САР), основные понятия и определения. Свойства объектов регулирования.

Объект регулирования является элементом автомати­ческой системы регулирования (АСР), и свойства всей системы во многом определяются свойствами объекта.

Теория регулирования рассматривает объект как устройство, преобразующее по определенному закону свои входные сигналы в выходные. Состояние объекта в каждый момент времени определя­ется его выходными сигналами (регулируемыми параметрами), зависимость которых от входных (т.е. характер преобразования сигналов) и обусловливает свойства объекта.

Принято различать статические и динамические свойства объ­ектов регулирования. Статические свойства объекта — это его свойства в установившемся состоянии (в статике), т.е. при неиз­меняющихся входном и выходном сигналах. Зависимость устано­вившегося значения выходного сигнала от входного называется статической характеристикой объекта.

В качестве примера рассмотрим статическую характеристику емкости с притоком и потреблением жидкости, выходным сиг­налом которой является уровень. На линии потреб­ления установлен клапан с постоянным проходным сечением, а после клапана происходит свободный слив жидкости. В этом случае расход на потреблении и уже не является входным сигна­лом объекта, так как он не может изменяться произвольно, а за­висит от уровня в емкости, т.е. от выходного сигнала.

В данном примере объект имеет один входной сигнал — расход на притоке и один выходной — уровень в ем­кости.В состоянии равновесия объекта приток и потребление должны быть одинаковы и постоянны

Динамические свойства объекта проявляются только при из­менении его входных сигналов. При этом и выходной сигнал бу­дет изменяться во времени. Причем в зависимости от характера изменения входных сигналов выходной сигнал одного и того же объекта может изменяться по-разному. Поэтому для характерис­тики динамических свойств объекта нельзя построить зависи­мость выходного параметра от входного, аналогичную статической характеристике. Для выявления динамических свойств объекта необходимо узнать его реакцию на какой-либо определенный вид входного воздействия. Чтобы можно было сравнивать динамиче­ские свойства различных объектов, применяют одинаковые стан­дартизованные входные воздействия. Наиболее распространены следующие два вида стандартных воздействий:

• скачкообразные, когда входной сигнал изменяют мгновенно, скачком на определенную величину, а затем поддерживают постоянным;

• импульсные, когда входной сигнал изменяют на очень боль­шую величину в течение очень короткого промежутка вре­мени, а затем возвращают к прежнему значению- такая форма воздействия имеет вид импульса.

До подачи стандартного воздействия объект должен находиться в состоянии равновесия, т.е. его входной и выходной сигналы должны быть постоянными во времени. Зависимость выходного сигнала объекта во времени начиная с момента подачи стандарт­ного воздействия называется динамической характеристикой или переходным процессом.

Графики типичных переходных процессов

Графики стандартных возмущений:

а — скачкообразное воздействие; 6 — импульсное воздействие

Рассмотрим для примера переходный процесс в емкости с притоком и потреблением жидкости. До подачи стандартного воздействия по расходу на притоке объект находится в состоянии равновесия: приток и потребление одинаковы. Уве­личим расход на притоке и скачком. Тогда в емкости начнется накопление жидкости и уровень х в ней будет возрас­тать. Скорость роста уровня, очевидно, зависит от разности рас­ходов на притоке и потреблении v - и, и она тем больше, чем больше эта разность. С другой стороны, с ростом уровня в ем­кости сразу же начнется и увеличение расхода v через клапан в соответствии с формулой. Следовательно, разность расходов на притоке и потреблении будет уменьшаться, а рост уровня — за­медляться. Увеличение уровня прекратится, когда потребление снова сравняется с притоком и тем самым будет достигнуто новое состояние равновесия.

Почти все объекты регулирования обладают инерцией, которая проявляется в том, что при мгновенном изменении входного сиг­нала выходной сигнал изменяется не мгновенно, а постепенно. Изменение выходного сигнала продолжается и после прекращения входного воздействия, т.е. когда входной сигнал уже не изменяется. Такое явление называется последействием.

Еще одним важным свойством реальных объектов является запаздывание. Оно проявляется в том, что реакция объекта на входное воздействие, т.е. изменение его выходного сигнала, за­паздывает по отношению к изменению входного сигнала.

Объекты регулирования, в которых пере­ходные процессы заканчиваются установившимся значением вы­ходного сигнала, получили название ус­тойчивых.

Устойчивые объекты регулирования обладают одним общим свойством — самовыравниванием, т.е. способностью переходить из одного установившегося состояния в другое по окончании пере­ходного процесса при скачкообразном входном воздействии.

Неустойчивые объекты довольно редки. Значительно чаще встречаются так называемые нейтральные объекты, занимающие промежуточное положение между устойчивыми и неустойчивыми.

Запаздывание в объектах регулирования проявляется в сдвиге по времени начала переходного процесса относительно входного воздействия. Величина этого временного сдвига называется вре­менем запаздывания, а само запаздывание — чистым или транс­портным. При транспортном запаздывании выходной сигнал х совсем не изменяется в течение всего времени запаздывания т_т

Устойчивые объекты легче поддаются управлению, чем неус­тойчивые. Так, в любом устойчивом объекте отклонение регули­руемого параметра под действием возмущения имеет вполне определенную, не бесконечную величину. Поэтому при достаточно большом самовыравнивании, когда возмущающие воздействия вызывают малые колебания регулируемого пара­метра, можно обойтись без системы управления. В нейтральных же объектах, в особенности в неустойчивых, отклонение регули­руемого параметра под действием возмущений с течением вре­мени может стать сколь угодно большим. Поэтому управлять та­кими объектами, безусловно, необходимо. Таким образом, само­выравнивание объекта способствует управлению им и поэтому иногда называется саморегулированием.

Как и для объектов регулирования, для АСР также различают статические и дина­мические показатели. Основным статическим показателем АСР является статическая ошибка, т.е. рассо­гласование в установившемся состоянии.

Наиболее универ­сальный динамический показатель, характеризующий близость АСР к идеальной, — абсолютное значение площади переходного процесса. Наряду с абсо­лютной величиной площади переходного процесса часто исполь­зуют такой показатель, как квадрат этой площади (при этом авто­матически не учитывается знак отклонения). Оба этих показателя характеризуют одновременно и величину, и длительность рассо­гласования в переходном процессе. Иногда важнее длительность переходного процесса — в частности, когда требуется перевести объект управления в новое состояние за минимальное время. В этом случае за показатель качества регулирования принимают время переходного процесса т_п.

В некоторых случаях главную роль играет величина рассогла­сования в переходном процессе. Тогда показателем качества регу­лирования считают максимальное рассогласование, называ­емое динамической ошибкой. Такие переход­ные процессы характеризуются теми же показателями качества, за исключением динамической ошибки. Вместо нее вводят другой показатель — перерегулирование. Указанные показатели качества равны нулю для идеальной АСР и больше нуля для любой реальной АСР. Чем эти по­казатели меньше, тем ближе АСР к идеальной.

В большинстве случаев требуется наладка АСР на действующем объекте. С этой целью регуляторы снабжают органами регулировки, позволяющими изменять их на­стройку в достаточно широком диапазоне.

Наладка АСР на действующем объекте требует высокой ква­лификации.