Основные элементы систем автоматики

Системы автоматики состоят из объекта управления (или регулирования) и управляющего устройства (или регулятора). Они могут быть разделены на отдельные элементы, выполняющие определенные функции. Большая часть элементов управляющего устройства (регулятора) производит действия, которые при ручном управлении выполняет человек. Рассмотрим для примера ручное и автоматическое регулирование напряжения генератора постоянного тока G (объекта регулирования ОР), включенного на нагрузку — двигатель М (рис. 1).

При колебаниях момента сопротивления М на валу двигателя меняется в соответствии с выражением М=КФIнагр. ток нагрузки Iнагр. и, следовательно, ток якоря генератора Iя = Iнагр. + Iв.г. В результате согласно выражению U = E - IяRя = СФn - IяRя [3] изменяется напряжение U генератора. Чтобы поддержать его постоянным, необходимо регулировать магнитный поток ф генератора, т.е. его ток возбуждения Iв.г., связанный с потоком прямой зависимостью. Для этого в цепь обмотки возбуждения вводят реостат R.

 

 

При ручном управлении (рис. 1, а, б) человек выполняет следующие операции: наблюдает за положением стрелки вольтметра PV (углом ее поворота φ); сравнивает текущее значение управляемой величины (напряжения U), т.е. ее фактическое значение в данный момент времени с напряжением, заданным по инструкции; при наличии разности текущего и заданного значений напряжений, т.е. рассогласования, перемещает ползунок реостата R в соответствующую сторону на необходимое расстояние S, при котором ток возбуждения Iв.г. изменяется так, чтобы указанная разность стала равной нулю.

Рассмотрим систему автоматического регулирования (САР) напряжения генератора постоянного тока, в которой в качестве измерителя фактического напряжения принят электромагнит YA с противодействующей пружиной (рис. 1, в). Якорь его связан с ползунком П1 потенциометра RP. При этом каждому значению напряжения генератора соответствует определенное значение положения ползунка П1 и, следовательно, потенциала точки А. Ползунок реостата R в данной САР перемещается двигателем М1, выполняющим функцию исполнительного устройства. Система работает следующим образом. При увеличении напряжения генератора G свыше заданного втягивающее усилие электромагнита YA возрастает и его якорь вместе с ползунком П1 потенциометра RP перемещается влево. Между точками А и В возникает разность потенциалов, и двигатель Ml начинает вращаться в сторону, соответствующую уменьшению тока возбуждения и, следовательно, напряжения генератора. При этом якорь электромагнита YA вместе с ползунком П1 под действием пружины перемещается вправо. Когда напряжение генератора снизится до заданного значения, ползунок П1 займет положение против ползунка П2, разность потенциалов между точками А и В станет равной нулю и двигатель Ml остановится. Аналогично работает система при снижении напряжения. Заданное значение напряжения, т.е. уставку, в данной САР изменяют перемещением ползунка П2 потенциометра RP.

Функциональная схема рассмотренной САР показана на рис. 1, г. Регулятор в этой системе выполняет простейшую логическую функцию: ’’Если напряжение ниже заданного, то необходимо увеличить ток возбуждения; если напряжение превышает заданное, - уменьшить ток возбуждения”. Элемент, оценивающий соотношение текущего и заданного значений регулируемой величины, называется элементом сравнения (ЭС). В рассматриваемой системе - это потенциометр RP с ползунками П1 и П2 (см. также рис. 1, в). При рассогласовании текущего хn1 и заданного хn2 значений с элемента сравнения ЭС подается воздействие на двигатель М1, выполняющий вместе с редуктором Ред функцию исполнительного механизма ИМ - элемента САР, служащего для приведения в действие регулирующего органа РО. Такое воздействие называется управляющим. Оно формируется в управляющем устройстве (регуляторе) и обеспечивает изменение регулируемой величины в соответствии с заданием. Воздействия передаются с помощью сигналов. Регулирующий орган служит для непосредственного воздействия на объект регулирования ОР в соответствии с управляющим сигналом. Исполнительный механизм ИМ и регулирующий орган РО образуют цепь прямого канала управления, по которой передаются управляющие воздействия к объекту регулирования. Под влиянием возмущающих воздействий В регулируемая величина отклоняется от заданного значения. В рассматриваемой САР возмущающим воздействием служит изменение нагрузки (Iнагр) генератора. Элемент, с помощью которого в систему вводится сигнал о текущем значении регулируемой величины (в данной САР - электромагнит YА), называется измерительным преобразователем (датчиком). Датчик YA создает цепь передачи воздействия от выхода системы (объекта регулирования ОР) к ее входу (элементу сравнения ЭС), называемую цепью главной обратной связи. В результате образуется замкнутая система регулирования. В системах автоматического регулирования применяется отрицательная обратная связь, при которой изменение сигнала обратной связи в результате появления рассогласования вызывает действие регулятора, направленное на уменьшение рассогласования.

В каждом элементе системы различают вход и выход. На вход элемента подается входной сигнал, который определенным образом преобразуется в выходной φ, являющийся входным для следующего элемента. Часто входной и выходной сигналы имеют различную физическую природу. Так, входным сигналом исполнительного механизма ИМ (двигателя М1 с редуктором Ред) служит напряжение U, выходным - угол поворота φ регулирующего органа РО (ползунка реостата R).

Элемент сравнения имеет два входа. На один из них подают задающее воздействие ЗВ, необходимое для поддержания регулируемой величины на определенном уровне или изменения ее по заданному закону, на другой сигнал от датчика. В данной САР задающее воздействие устанавливают вручную перемещением ползунка П2 потенциометра RP. Почти все элементы САУ и САР могут передавать воздействия только в одном направлении. Например, в датчике (электромагните YA) изменение напряжения UG на его входе вызывает перемещение якоря, т.е. изменение координаты xn1. В обратном направлении этот процесс идти не может. САР и САУ могут содержать кроме показанных на рис. 1 элементов различные усилители в цепи управления и в цепи главной обратной связи. С другой стороны, некоторые элементы могут отсутствовать, например, исполнительное устройство.