Системи та об’єкти автоматичного регулювання та їх характеристики

Основні поняття про автоматичне регулювання

Кожний технологічний процес характеризується певними параметрами, значення яких для оптимального режиму повинно відповідати заданим значенням. Однак, у процесі виробництва з різних причин значення цих параметрів може змінюватися, викликаючи порушення оптимального режиму.

Для відновлення порушеного режиму й застосовуються системи регулювання. Система регулювання, яка виконує свої функції без участі людини, називається автоматичною системою регулювання (АСР).

АСР призначена підтримувати технологічний параметр постійним або змінювати його по заданій програмі.

Кожна АСР складається з об'єкта регулювання й автоматичного регулятора, до складу якого входять: вимірювальний пристрій, задавач, елемент порівняння; підсилювач; пристрій зворотного зв'язку; виконавчий механізм і регулювальний орган.

Зображення: https://uk.wikipedia.org/wiki

Об'єкт регулювання– це технічне обладнання, у якому протікає процес, який підлягає регулюванню (наприклад: сушарка, піч, бак і т.д.).

Вимірювальний пристрій – (датчик) сприймає регульовану величину й перетворює її в сигнал, зручний для посилення й передачі на відстань (наприклад - термопара).

Задавач – видає сигнал, відповідний до заданого значення регульованої величини.

Елемент порівняння порівнює сигнали вимірювального й задавального пристроїв, визначає їхню різницю.

Пристрій зворотного зв'язу– призначений для поліпшення якості регулювання й найчастіше забезпечує подачу "Зворотнього" сигналу з виходу АСР на її вхід.

Регулюючий орган – це пристрій, який безпосередньо впливає на об'єкт регулювання, змінюючи подачу речовини або енергії.

Виконавчі механізми – служать для привода регулюючого органа й являють собою електродвигун, пневмо- або гідропривід з допоміжними елементами.

Регулюючою величиноюназивається той параметр, який необхідно підтримувати постійним або змінювати по заданій програмі.

Регулюючий вплив – це параметр, який змінюється регулюючим органом, впливає на об'єкт регулювання й впливає на значення регулюючої величини (наприклад:кількість подаваного в об'єкт сировини; палива, повітря й т.п.)

Обурюючий вплив або збурювання – це зміна нерегульованих параметрів, які викликають відхилення регульованої величини від заданого значення (наприклад: параметри сировини, палива, електроенергії, навколишнього середовища, навантаження й т.п.).

Системи та об’єкти автоматичного регулювання та їх характеристики

Загальний опис

Автоматичне керування включає три групи дій (операцій):

• збирання ін формації про стан об'єкта керування та/або зовнішні впливи;

• формування керувальних впливів;

• реалізацію керувальних впливів.

САК знайшли застосування в багатьох технічних системах для: виконання операцій, що не можуть бути здійснені людиною у зв'язку з необхідністю переробки великої кількості інформації в обмежений час; підвищення продуктивності праці; забезпечення необхідної якості і точності регулювання; звільнення людини від керування системами, що експлуатуються в умовах відносної недоступності чи небезпечних для здоров'я.

Автоматичне керування знайшло застосовування в різних галузях:

• машинобудуванні;

• металургії;

• гірництві;

• хімічній;

• текстильній;

• харчовій промисловості;

• поліграфії;

• на транспорті;

• в енергетиці;

• техніці;

• зв'язку тощо.

Автоматичне керування роботою доменних і сталеплавильних печей, електростанцій, цехів, заводів з виготовлення деталей машин та інших виробів суттєво підвищує продуктивність устаткування, інтенсифікує виробничі процеси, знижує собівартість готової продукції, а також поліпшує умови праці робітників.

Класифікація і основні різновиди САК

Автоматичні систем керування можна класифікувати за різними ознаками:

• інформативним принципом;

• кількістю керованих параметрів і контурів;

• виглядом статичних і динамічних характеристик;

• структурними особливостями тощо.

Відповідно до інформативного принципу виділяють системи: з повною і з неповною початковою інформацією. Перші називають звичайними, вони мають початкову інформацію, достатню для розв'язання поставленого завдання на період всього часу роботи системи. З неповною (нечіткою) початковою інформацією або кібернетичними (інтелектуальними) є системи, які для розв'язання поставлених завдань повинні в процесі роботи діставати додаткову інформацію, аналіз якої дає змогу сформувати потрібні команди керування. Серед нечітких систем автоматичного керування за зростанням ступеня інтелектуальності виділяють САК з нечітким контролером, гібридні нечіткі САК, адаптивні нечіткі САК. Найбільш перспективним є розробка інтелектуальних САК, що будуються на базі нечітких нейронних мереж, що дозволяє поєднувати як методи роботи з нечіткою інформацією і знаннями, так і здатність систем до самостійної адаптації.

Звичайні САК (з повною початковою інформацією) за принципом керування і особливостями функціонування поділяють на дві основні групи. Перша — це замкнуті автоматичні систем керування відносно вихідної (керованої) величини, що діють на основі принципу керування за відхиленням керованої величини, їх ще називають системами із зворотним зв'язком. Друга — розімкнуті автоматичні систем керування відносно тієї ж величини, що базуються на принципі керування за збуренням.

Замкнуті САК бувають трьох видів: стабілізації, програмні й слідкуючі.

Системи стабілізації (системи автоматичного регулювання (САР)) повинні забезпечувати стале значення керованої величини (Y) об'єкта керування: Y=const. Прикладом таких систем можуть бути: автоматичні системи керування температурою повітря в житловому приміщенні, автоматичні системи керування тиском в нагнітальному патрубку насоса тощо.

Програмні автоматичні системи керування повинні забезпечувати зміну керованої величини за деякою заздалегідь відомою програмою: Y = var. Наприклад, фрезерні верстати із програмним управлінням, автоматичні заводи тощо.

Слідкуючі автоматичні системи керування також забезпечують Y=var, але принципова їх відмінність від програмних систем полягає в тому, що потрібний для виконання закон зміни керованої величини заздалегідь невідомий, а формується в ході роботи системи. Приклад – радіолокаційна станція, до завдань якої входить супровід об'єкта із наперед невідомим законом руху.

Розімкнуті САК бувають двох видів: компенсаційні й програмного керування.

Компенсаційні забезпечують формування таких сигналів керування на вході об'єкта, які компенсують дію на нього відповідного збурення. Системи програмного керування, на відміну від програмних автоматичних систем керування, крім того, що мають розімкнуту схему, повинні згідно із заданою заздалегідь програмою забезпечувати відповідну зміну режиму роботи об'єкта. Прикладом цих систем можуть бути ліфтові підйомні установки, де кінцеві вимикачі забезпечують необхідні зміни режиму роботи електропривода залежно від положення кабіни ліфта. Статичні й астатичні автоматичні системи керування – за властивостями об’єкта керування. Перші володіють властивостями самовирівнювання, а другі ними не володіють.

Одно- та багатовимірні системи. Ця ознака передбачає виділення класів систем за кількістю вихідних змінних об'єкта керування. Тут виділяються ще два підкласи для багатовимірних систем :

• системи незв'язаного регулювання, коли є кілька регульованих координат х і відповідних автоматичних регуляторів, які не зв'язані між собою і утворюють сепаратні контури. В той же час регульовані координати можуть бути зв'язаними через об'єкт;

• системи зв'язаного регулювання, коли автоматичні регулятори для різних х зв'язані додатковими зв'язками, за рахунок чого досягається автономність регулювання за окремими каналами.

Лінійні та нелінійні системи. Системи називають :

• лінійними, якщо вони описуються лінійними залежностями. Для таких систем виконується принцип суперпозиції (накладання): реакція системи на будь-яку комбінацію зовнішніх діянь дорівнює сумі реакцій на кожне з них, прикладених окремо. Це відповідає адитивній функції, наприклад: x(U, Z) = x(U) + x(Z);

• нелінійними, якщо в складі САК є хоча б один елемент з нелінійними характеристиками. Для спрощення задач аналізу і синтезу часто виконують лінеаризацію нелінійних характеристик, що дає можливість замінити реальну нелінійну систему еквівалентною лінійною (лінеаризованою).

Стаціонарні і нестаціонарні САК:

• стаціонарні системи, параметри та характеристики яких не змінюються з часом. Динаміка таких систем описується диференціальними рівняннями з постійними коефіцієнтами;

• нестаціонарні системи, в яких змінюються характеристики та параметри з часом, а поведінка цих систем в динаміці описується диференціальними рівняннями із змінними коефіцієнтами, значення яких залежить від часу. При дослідженні цих систем необхідно враховувати не лише величину збурення, а й темпоральний момент його прикладання.

САК неперервної та дискретної дії. За характером зміни сигналів системи діляться на :

• неперервної дії (неперервні, аналогові), всі сигнали в яких є неперервними функціями часу;

• дискретної дії (дискретні), в яких є елементи, що перетворюють неперервні сигнали в стрибкоподібні або послідовність імпульсів (релейні, імпульсні, цифрові).

Екстремальні, адаптивні та оптимальні САК. В системах керування функціонують об'єкти, статичні характеристики яких можуть мати точку екстремуму, в якій досягаються найвищі техніко-економічні показники роботи. За допомогою спеціальних керуючих дій система підтримує режим роботи об'єкта в околиці екстремальної точки, яка змінює своє положення з часом. Такі системи називають екстремальними. Адаптивні системи мають властивість пристосовування до змінюваних характеристик зовнішнього середовища та параметрів об'єкта. Це відбувається за рахунок змінювання структури системи та (чи) параметрів окремих її частин. Оптимальні системи призначені для досягнення найкращих результатів роботи протягом певного часу у відповідності з критерієм оптимальності (керування) в конкретних умовах з урахуванням існуючих ресурсів та обмежень.

Контрольні запитання

1. З яких об'єктів складається автоматична система регулювання?

2. Що таек об'єкт регулювання?

3. Для чого призначений задавач?

4. Що являють собою виконавчі механізми?

5. За якими ознаками класифікують автоматичні системи регулювання?