Статичні та астатичні АС: системи непреривного та дискретного дійства; призначення, структурно-функціональні схеми, склад та принцип дії.

По поведению в установившемся режиме САР делят на статические; и астатические. Если управляемая величина в установившемся режиме зависит от значения внешнего воздействия, то автоматическая система, называется статической, и если не зависит, то с и с т е м а называется астатической. Статические характеристики (рис. 7.1) представляют собой зависимости управляемой величины Х от внешнего возмущения (нагрузки) f (t) в установившем­ся режиме для статических (прямая 1) и астатических (прямая 2) систем стабили­зации. Наклон статической характери­стики определяется cтатизмом S, кото­рый можно представить в виде

S=(x0—xн)/x0

 

где х0, хн — значения управляемой величины соответственно в режимах холостого хода и номинальной нагрузки.

Характерной особенностью статических систем является однознач­ная зависимость между управляемой величиной и внешним воздействием (нагрузкой) в установившемся режиме. Каждому новому постоян­ному значению нагрузки соответствует определенное новое значение управляемой величины.

В астатических системах, где статизм равен нулю, разным значениям внешнего воздействия в установившемся режиме соответствует одно и то же значение управляемой величины, равное ее заданному значению.

Рис. 7.1. Статические характе­ристики статической и астати­ческой систем

 

В статической системе стабилизации напряжения генератора по­стоянного тока (рис. 7.2, а) заданное значение управляемой величины (напряжение генератора U г) задается с помощью vcтaвки регулятора — потенциометра П1 в виде эталонного напряжения Uо. Напряжение Uо.с, пропорциональное напряжению генератора, снимается с потенциометра П2 и по цепи обратной связи подается на вход системы, где сравнивается с эталонным напряжением Uос. Результат сравнения в виде разности

ΔU = Uo — Uoс,

 

Рис. 7.2. Системы регулирования напряжения генератора: а)— статическая; б) — астатическая

 

поступает на вход усилителя, выходное напряжение которого является питающим для обмотки возбуждения ОВГ генератора. В установившемся режиме напряжение генератора имеет определенное значение и ему соответст­вует некоторая разность ΔU = Uo — Uoc, отличная от нуля.

Допустим, в процессе работы генератора с помощью нагрузочного реостата Rн увеличивается ток нагрузки Iн. При этом напряжение генератора вследствие размагничивающего действия реакции якоря и увеличения внутреннего падения напряжения уменьшается. Это при­водит к уменьшению напряжения, снимаемого с потенциометра П2, и вследствие этого к увеличению разности ΔU = Uo--Uo.с. В результате напряжение генератора начинает восстанавливаться. Однако напряжение на зажимах генератора после окончания переходного процесса не достигнет прежнего значения, а будет несколько меньше. Это объясняется тем, что при новой большей нагрузке разность ΔU = Uo--Uo.с. принципиально должна быть больше, чем прежде, что может быть достигнуто в результате уменьшения напряжения Uo.с, пропорционального напряжению генератора. Вместе с тем в данной системе из-за наличия регулятора диапазон изменения управляемой величины при изменении внешнего воздействия будет значительно меньше в установившемся режиме, чем у объекта без регулятора. В этом и проявляется основная задача стабилизации — получение более жесткой статическсой характеристики.

Как видно из приведенной схемы, статические системы состоят только из статических элементов, у которых при постоянном входном воздействии с течением времени устанавливается постоянная выходная величина.

Астатическая система стабилизации напряжения генератора (рис. 7.2, б) отличается от рассмотренной тем, что в ее состав входи астатический (интегрирующий) элемент в виде двигателя М, приводящего в движение ползунок потенциометра ПЗ. У астатического элемента при постоянной входной величине выходная величина изменяется с постоянной скоростью, ускорением и т. д.

В установившемся режиме ползунок потенциометра ПЗ неподвижен так как разность ΔU = Uo--Uo.с на входе усилителя равна нулю. При изменении нагрузки изменяется напряжение генератора и, как следствие, напряжение Uoc снимаемое с потенциометра П2. Появляется разность напряжений ΔU = Uo--Uo.с на входе усилителя. Двигатель М начинает вращаться и передвигает ползунок потенциометра ПЗ в требуемом направлении до тех пор, пока разность напряжений ΔU = Uo--Uo.с. не станет равной нулю. Таким образом, напряжение на зажимах генератора в установившемся режиме имеет одно то же предписанное значение независимо от направления и изменения нагрузки.

В зависимости от характера действующих в системе сигна­лов, все САУ делятся на системы непрерывного и дискретного действия.

В системах непрерывного действия между входными и вы­ходными величинами отдельных элементов системы существует непрерывная функциональная связь. При непрерывном и плав­ном изменении входной величины также изменяется выходная величина. Примерами таких систем могут быть системы на рис. 7.2.

В системах дискретного действия выходная величина хотя бы одного элемента представляет собой дискретный сигнал, кото­рый скачкообразно изменяется во времени. Обычно в дискретных системах присутствуют как дискретные, так и непрерывные сигналы. Процесс преобразования непрерывного сигнала в дис­кретный называется квантованием. Квантование сигнала про­изводится по уровню, по времени, по уровню и по времени. При квантовании по уровню фиксируются определенные дискретные уровни сигнала в произвольные моменты времени. В результате непрерывно изменяющаяся величина заменяется фиксирован­ными дискретными значениями: Х1,...Х6 (рис. 4.5а). В про­стейшем случае квантование по уровню осуществляется ре­лейным элементом. Системы дискретного действия, в которых происходит квантование по уровню, называют релейными си­стемами. К таким системам можно отнести судовые системы управления комбинированной холодильной установкой, охлаж­дения провизионных камер, защиты и синхронизации главных генераторов и др. на транспортных и рыбопромысловых судах.

При квантовании по времени фиксируются дискретные мо­менты времени, при которых уровни сигнала могут принимать произвольные значения (рис. 7.3 б). Квантование сигнала по вре­мени осуществляется импульсным элементом. Системы дискретного действия, в которых происходит квантование по вре­мени, называют импульсными.

Примером такой системы может быть импульсная система регулирования температуры (рис. 7.4.). При заданном значении температуры регулируемого объ­екта θ, а следовательно, при условии равновесия моста, на­пряжение на выходе импульсно­го элемента (ИЭ) равно нулю.

Рис. 7.3. Квантование непрерывного сигнала: а – по уровню; б –по времени.

 

Как только произойдет отклоне­ние температуры от заданного значения, на входе ИЭ появится напряжение разбаланса моста. В этом случае с выхода им­пульсного элемента на исполни­тельный двигатель (ИД) будут подаваться импульсы напряжения, ширина которых пропорциональна отклонению. Исполнительный двигатель воздействует на клапан, который регулирует подачу теплоносителя.

Рис 7.4. Принципиальная схема импульсной системы регулирования температуры.

 

В каждом из элементов непрерывной системы непрерыв­ному изменению выходной величины во времени соответствует непре­рывное изменение входной величины.

В состав дискретной системы входит хотя бы один эле­мент дискретного действия, преобразующий непрерывный входной сигнал в последовательность импульсов или в ряд квантованных сигналов.

Квантованием (дроблением) называется процесс преобразования не­прерывного сигнала в дискретный. Различают три типа квантования: по времени, по уровню, но уровню и времени. В зависимости от исполь­зуемого типа квантования непрерывного сигнала дискретные сис­темы делят на импульсные (при квантовании по времени), релейные (при квантовании по уровню), цифровые (при квантовании по времени и уровню).

Релейные автоматические системы могут рассматриваться и как нелинейные непрерывные системы с нелинейностью релейного типа. Поэтому к дискретным часто относят лишь импульсные и цифровые автоматические системы.