Загальні положення про системи автоматики: системи автоматичного управління (САУ), системи автоматичного регулювання (САР). Структурно-функціональні схеми таких систем. Уявлення про зворотні зв’язки.

С появлением и развитием автоматических устройств воз­никла новая отрасль науки и техники — автоматика, — охваты­вающая теорию автоматического управления и регулирования, а также рассматривающая построение автоматических средств и систем.

Система — это совокупность элементов, определенным обра­зом связанных и взаимодействующих между собой. Автомати­ческая система без участия человека управляет и контролирует поведение объекта или протекание процессов в нем. Автомати­зация судовых систем электроавтоматики является лишь одной из составных частей комплексной автоматизации судна. По ха­рактеру автоматизируемых функций судовые системы электро­автоматики можно разделить на:

— системы автоматического управления (САУ), обеспечи­вающие возможность управлять судовой электроустановкой и изменять режимы ее работы, приспосабливаясь к изменяющим­ся внешним условиям без участия человека;

— системы дистанционного управления (ДАУ), обеспечива­ющие возможность на расстоянии включать и выключать от­дельные механизмы и устройства, при этом человек непосред­ственно участвует в процессе управления;

— системы автоматического регулирования (САР), обеспе­чивающие возможность поддержания требуемых параметров в заданных пределах (например, равномерного распределения нагрузки параллельно работающих генераторов), при этом че­ловек освобождается от непосредственного участия в процессе -регулирования;

— системы автоматического контроля (САК), обеспечиваю­щие измерение текущих значений контролируемых параметров (например, напряжения, тока, сопротивления, температуры, дав­ления и т. п.), сравнение этих величин с допустимыми значения­ми и световую и звуковую сигнализацию об отклонении пара­метров от заданных значений;

— системы автоматической защиты и блокировки (САЗ), обеспечивающие предотвращение возникновения аварийных ситуаций или ограничивающие развитие аварии.

Независимо от назначения и степени сложности в любой си­стеме автоматического управления выделяются общие для всех систем основные элементы, объединив которые соответствующим образом можно получить функциональную схему, пока­занную на рис. 3.1. На таких схемах расположение элементов САУ и их взаимосвязь осуществляется на основе выполняемых ими функций в процессе работы системы.

Требуемое значение управляемой величины Xвых(t) определяется задающим воздействием Xвх(t), поступающим от задающего устройства (ЗУ). ЗУ формирует задающее воздействие, которое представляет собой физическую величину (напряжение, ток, давление, угол поворота вала и т. д.), и вводится в систему для получения не­обходимого изменения Xвыx(t) в соответствии с законом управ­ления. В качестве ЗУ может быть использован, например, потен­циометр, поставленный в одно из плеч электрического моста. В табл. 1 приведены некоторые примеры элементов судовой элек­троавтоматики в соответствии с функциональной схемой.

 

 

Рис. 3.1. Функциональная схема САУ

Элемент сравнения (ЭС) предназначен для сравнения изме­ряемого значения управляемой величины с задающим воздейст­вием. Если в ЭС кроме сравнения происходит преобразование сигнала, то он называется чувствительным элементом (ЧЭ). Примером такого ЧЭ могут быть: контактные элементы (реле перемещения), потенциометрические элементы, емкостные и ин­дуктивные элементы, термоэлектрические элементы (термопа­ры), контактные и бесконтактные сельсины, вращающиеся трансформаторы, фотоэлементы и т. д.

Корректирующий элемент (КЭ) применяется для коррекции (улучшения характеристик системы) при помощи дополнитель­ных узлов и цепей. Он может быть включен последовательно в цепь прохождения сигнала или параллельно этой цепи. Кор­рекция осуществляется либо путем изменения управляющего воздействия μ(t), либо путем изменения свойств отдельных эле­ментов системы. Изменение μ(t) достигается добавлением к не­му других сигналов, зависящих от возмущающего воздействия f(t) (коррекция по возмущению) или от сигнала рассогласова­ния (отклонения) управляемой величины от требуемого значе­ния (коррекция по отклонению). Примером КЭ могут быть тахогенераторы постоянного и переменного тока, генераторы постоянного тока с независимым возбуждением, дифференциру­ющие или интегрирующие пассивные RC-пепи, стабилизиру­ющие трансформаторы и т. п.

Суммирующее устройство (СУ) предназначено для суммиро­вания сигналов от различных элементов, например, электриче­ский мост, суммирующий магнитный усилитель и т. п.

Усилительный элемент (УЭ) предназначен для усиления сигналов, поскольку последние обычно являются маломощными и не могут непосредственно использоваться для приведения в действие исполнительного элемента. В системах судовой элек­троавтоматики применяются электронные, полупроводниковые, магнитные, электромашинные и другие усилители постоянного и переменного тока, знакочувствительные и фазочувствитель-ные, одно-, двух-, трех- и многокаскадные.

Исполнительные элементы (ИсЭ) применяются для приве­дения в движение регулирующих органов объектов управления, от положения которых зависит значение управляемой величи­ны САУ. ИсЭ используются для включения и выключения элек­трических, механических, гидравлических и пневматических це­пей; для сцепления и расцепления вращающихся валов; откры­вания и закрывания клапанов, золотников, задвижек и т. д. ИсЭ служат также для плавного перемещения или поворота раз­личных частей механизмов, причем скорость перемещения (по­ворота) зависит от величины подводимого тока. ИсЭ могут быть разделены на электромеханические, гидравлические, пневмати­ческие. В качестве ИсЭ широко используются серводвигатели: двигатели постоянного тока, двухфазные и трехфазные асин­хронные двигатели, электромагнитные муфты (для автоматиче­ского соединения и разъединения вращающихся валов) и релейно-контакторная аппаратура (для включения и выключения различных электрических цепей).

Управляемый объект (УО) — это техническое устройство, которое нуждается в оказании специально организованных воз­действий извне для правильного выполнения процессов, проис­ходящих в нем. К УО можно отнести само судно, главные судовые энергетические установки, генераторы судовых электро­станций, электродвигатели различных судовых электроприводов и т. п. Управляемыми величинами объекта управления могут служить напряжение на зажимах генератора судовой электро­станции, давление воздуха пусковых баллонов, температура рефрижераторных камер, частота вращения главного судового двигателя и т. д.

Поскольку УО, как правило, самостоятельно не способен противодействовать влиянию любых внешних возмущений, то осуществляется управляющее (специальное воздействие извне) воздействие с целью поддержания управляемой величины в за­данных пределах.

Местная обратная связь (МОС), как правило, представляет собой параллельно включенный корректирующий элемент. Различают жесткую и гибкую обратные связи. Жесткая обратная связь не содержит интегрирующих и дифференцирующих эле­ментов. При такой связи сигнал на выходе однозначно опреде­ляется сигналом на входе. Если в цепи имеются дифференци­рующие элементы, то обратная связь называется гибкой. Си­гнал гибкой обратной связи зависит от скорости изменения сигнала на входе связи. Гибкие обратные связи с помощью тахогенераторов получили наибольшее распространение в элек­тромеханических системах.

 

Главная обратная связь (ГОС) обычно состоит из несколь­ких конструктивных элементов, основным среди которых явля­ется преобразователь (П). Преобразователи служат для пре­образования одной физической величины в другую или в ту же, но с другими параметрами. С помощью преобразователей осу­ществляются все основные процессы по преобразованию элек­трических сигналов: генерирование, модуляция, усиление, вы­прямление, инвертирование, преобразование частоты. Это тран­зисторные и тиристорные преобразователи, фазочувствительные выпрямители, стабилизаторы напряжения, триггеры, бескон­тактные логические элементы, трансформаторы, тахогенераторы, индуктивные и температурные датчики, сельсины и т. п.

Все рассмотренные элементы САУ, кроме управляемого объ­екта, представляют собой собственно регулятор системы или автоматическое управляющее устройство (АУУ), которое осу­ществляет воздействие на управляемый объект в соответствии с законом управления. Таким образом, система автоматическо­го управления представляет собой совокупность управляемого объекта и управляющего устройства, которые взаимодействуют между собой в соответствии с законом управления (рис. 2).

Как видно из рис. 3.2, в общем случае на вход АУУ, помимо задающего воздействия Хвх(t) поступают управляемая величина Хвых(t) и возмущающее воздействие f(t). Таким обра­зом, АУУ присоединяется к объекту управления с двух сто­рон: с одной стороны — к вы­ходу объекта, а с другой — к регулирующему органу на его входе.

Рис. 3.2. Упрощенная схема системы атоматического управления