Принцпи дії автоматичних систем та їх класифікація.
За своїм принципом дії автоматичні системи регулювання поділяються на два великих класи – розімкнені та замкнені автоматичні системи регулювання.
В загальному випадку розімкнену систему автоматичного регулювання можна представити блок – схемою, яка зображена на рис. 4.
λ (t)
(t)
ЗД
РД
Х(t)
Y(t)
U(t)
Рис. 4
Зробимо деякі пояснення до цієї блок – схеми. Датчик інформації про мету регулювання, який зображений на ній, являє собою вимірювач будь – якої фізичної величини (температури, тиску, швидкості, перенавантаження, кутових або лінійних переміщень).
Пристрій обробки інформації виконує аналіз інформації, яка надходить від датчиків, а також формує (відповідно з алгоритмом регулювання) сигнал регулювання, який передається на виконавчий пристрій. У реальних САР роль пристрою обробки інформації виконують спеціальні аналогові або цифрові обчислювачі. Виконавчий пристрій підсилює та перетворює сигнал управління в управляючу дію (РД), яка безпосередньо діє на необхідні елементи об’єкта регулювання.
Взаємодія між елементами систем автоматичного регулювання здійснюється за допомогою зв’язків , які являють собою технічні пристрої або середовища, які передають енергію. Зв'язки в САР можуть бути механічними, гідравлічними, пневматичними, електричними тощо.
Як видно з рис. 3, в розімкнених САР регулювання здійснюється без урахування інформації про стан об’єкта регулювання (результатів регулювання), регулююча дія формується як функція тільки задаючого діяння (ЗД).
Таким чином регулююча дія:
U(t) = φ [Х(t)] (2.1)
Інколи можуть бути виміряні збурення, які діють на САР, а отримана в результаті вимірів інформація може використовуватись для оформлення регулюючих дій(рис. 5)
Регулююча дія при цьому формується як функція задаючого діяння (ЗД) та збурення ( коли є збурення, то приймаються міри з усунення його майбутнього впливу на САР):
Датчик збурення
λ (t)
(t)
Датчик інформації про мету регулювання
Пристрій обробки інформації
ЗД
Виконуючий пристрій
Об'єкт регулювання
Y(t)
Х(t)
Р
РД
U(t)
ис. 5
U(t) = φ [Х(t), Λ (t)] (2.2)
Такий спосіб регулювання називається регулювання щодо збурення.
На рис. 6 наведена блок – схема замкненої системи.
λ (t)
(t)
ЗД
Y(t)
U(t)
Х(t)
Датчик інформації про підсумки регулювання
Рис. 6
Використання для регулювання інформації про його результати називають принципом зворотного зв'язку. При цьому, під зворотнім зв’язком розуміють залежність поточних регулюючих дій на об’єкт регулювання від його стану, який обумовлений попередніми діями.
Треба відмітити також, що зворотній зв’язок може бути природнім (який належить САР) чи штучно організованим за допомогою автоматичного регулюючого пристрою.
В замкнених САР регулююча дія формується на основі зрівняння вихідної величини з задаючим діянням
U(t) = φ [ε(t)], (2.3)
де ε(t) = Х(t) - Y(t). (2.4)
Треба відмітити, що використання інформації про результати регулювання супроводжується підвищенням точності автоматичних систем. Тому для регулювання складних об’єктів застосовуються замкнені САР.
Відмітимо також, що для САР технологічними процесами дуже часто співвідношення (1.3) виражається більш простою залежністю
U(t) = Кε(t), (2.5)
де К – деякий масштабний коефіцієнт.
Такий спосіб формування регулюючої дії називається регулюванням за відхиленням, а системи, в яких він реалізований – системами автоматичного регулювання.
Таким чином, в технологічних процесах застосовують САР, які головним чином працюють за відхиленням.
Крім розглянутих вище САР розрізняють їх кількості замкнутих контурів регулювання.
За кількістю замкнутих контурів регулювання розрізняють одноконтурні і багатоконтурні САР.
Одноконтурна система має один контур регулювання, який замикається за допомогою однієї головної лінії зворотнього зв'язку (рис. 7). На рис. 7 наведено функціональну схему одноконтурної САР.
Х(t)
ε(t)
U(t)
Y(t)
Рис. 7
Елементи, які входять у схему, мають наступне призначення:
Вимірювальний пристрій ВП сприймає інформацію про результати регулювання та перетворює її у сигнал, найбільш зручний для подальшого використання у САР;
порівняльний пристрій (ПП) формує сигнал відхилення ε(t);
підсилювальні пристрої (ПсП1, ПсП2) здійснюють підсилення потужності сигналів, діючих у автоматичному регулюванні;
перетворюючий пристрій (ПрП) виконує узгодження принципів вимірювального, порівняльного, підсилювального та виконавчого пристроїв або (та) реалізує функціональну залежність (1.1);
послідовний корегуючий пристрій (ПсКП) включається в схему САР для поліпшення якості процесів регулювання;
виконавчий пристрій (ВП) формує регулюючу дію (здійснює переміщення відповідного елемента об’єкта регулювання).
В багатоконтурній системі окрім головного зворотного зв'язку можуть бути місцеві зворотні зв’язки, які покращують динамічні властивості системи (рис. 8).
Х(t)
U(t)
Y(t)
ПрКП
Рис. 8
До вищезазначеного можна додати, що у деяких САР може бути відсутнім один або декілька елементів функціональної схеми. У ряді систем окремі елементи функціональної схеми можуть конструктивно об’єднуватись. Найчастіше об’єднуються вимірювальний та порівняльний пристрої, підсилюючий та перетворюючий пристрої, підсилюючий та виконавчій пристрої.
З урахуванням відміченого структурну схему САР, які використовуються в харчових технологіях можна представити наступним чином.(рис. 9)
λ
ВЕ
Рис. 9
На рис. 9 показано:
об'єкт регулювання (ОР);
вимірювальний елемент (ВЕ);
задатчик еталонних значень (Зд);
суматор (порівняльний елемент) (С);
управляючий елемент (УЕ);
виконавчий механізм (ВМ);
регулюючий орган (РО).
За принципом дій елементів, які входять до складу САР, розрізняють системи безперервної і дискретної (преривної) дії. В перших всі елементи мають безперервні характеристики, тому безперервній зміні вхідної величини вхідна величина також змінюється безперервно.
Системи дискретної дії мають хоч би один елемент дискретної дії, у якого при непереривній зміні вхідного сигналу призводе до переривистої зміни вихідної величини. До дискретних систем, наприклад, відносять релейні системи. В релейну систему входе хоч би один релейний елемент у якого при безперервному вихідному сигналі на виході з'являється скачкоподібний вихідний сигнал. Релейні системи також називають позиційними.
САР поділяють також на лінійні та нелінійні. В лінійних системах в кожному елементі вихідна величина прямо пропорційна вхідній величині, тобто всі елементи мають лінійну характеристику. Такі системи описуються лінійними диференційними рівняннями. Методика їх розв’язання добре розроблена.