8. Автоматичні системи прямого та непрямого дійства (регулювання), лінійні та нелінійні системи, одноконтурні та багатоконтурні системи. Адаптивні системи.

Классификация систем автоматического управления по связи чувствительного элемента АУУ с исполнительным органом УО

По характеру связи чувствительного элемента (ЧЭ) автома­тического управляющего устройства (АУУ) с исполнительным органом управляемого объекта системы автоматического управ­ления могут быть прямого и непрямого действия.

Системы автоматического регулирования, в которых испол­нительный орган УО перемещается непосредственно чувстви­тельным элементом, называются системами прямого регулиро­вания (действия). Такие системы не требуют дополнительного источника энергии, т. к. энергия, необходимая для перемещения исполнительного органа объекта, поступает от ЧЭ. Они просты в изготовлении из-за отсутствия усилительных и исполнитель­ных элементов. Однако, точность регулирования систем прямо­го действия значительно снижается с ростом мощности выход­ного сигнала. Примером может служить система прямого авто­матического регулирования напряжения генератора постоянно­го тока (рис. 8.1). Чувствительным элементом системы является электромагнит (ЭМ), сердечник которого механически связан с движком реостата R. Катушка электромагнита измеряет управ­ляемую величину — напряжение генератора Uг — и создает элек­тромагнитную силу Fэм. Эта си­ла сравнивается с силой пру­жины Fпр, которая является задающим воздействием и из­меняется перемещением винта В. Таким образом, при заданном значении Uг силы Fэм и Fпp урав­новешены, и сердечник элек­тромагнита неподвижен.

Изменение нагрузки генератора Rн приводит к изменению Uг и соответствующему изменению электромагнитной силы Fэм. Это, в свою очередь, приводит к пере­мещению сердечника и изменению сопротивления реостата R, а следовательно, к уменьшению или увеличению тока Iв в ис­полнительном органе объекта — обмотке возбуждения (ОВ). Заданное значение Uг можно менять посредством изменения Fпр.

Системой непрямого действия (регулирования) называется система, в которой на исполнительный орган объекта чувстви­тельный элемент воздействует через усилительный и исполни­тельный элементы. Несмотря на свою сложность, эти системы получили наибольшее распространение в системах судовой электроавтоматики из-за высокой точности регулирования. При­мером системы непрямого действия является любой из трех контуров системы управления электроприводом траловой ле­бедки типа 3KLW – 6,3 (Germany):

— регулирование возбуждения генератора;

— регулирование возбуждения первого электродвигателя;

— регулирование возбуждения второго электродвигателя.

Рис 8.1. Система прямого автоматического регулирования напряжения генератора постоянного тока.

Каждый контур содержит следующие основные элементы:

элемент сравнения (ЭС), усилитель сигнала отклонения (УЭ), широтно-импульсный модулятор (ШИМ), каскад мощных маг­нитных усилителей (МУ), питающих обмотку возбуждения воз­будителя генератора (ВГ) или двигателей (ВД).

На рис. 8.2 показана блок-схема конту­ра регулирования одного из двигателей, из которой вид­но, что управление объектом (двигателем Д) осуществля­ется путем изменения тока возбуждения. Обмотка воз­буждения двигателя ОВД питается от возбудителя ВД,, который вращается асинхронным трехфазным

Рис 8.2. Блок-схема контура регулирования ЭД траловой лебедки типа 3KLW-6,3.

двигателем 380В 50 Гц. Таким образом, управление возбуждением двигателя Д происходит путем воздействия на обмотку возбуждения возбу­дителя ВД. Введение усилительных (УЭ и ШИМ) и исполни­тельных (МУ и ВД) элементов в контур регулирования не­обходимо для усиления сигнала, поступающего с чувствитель­ного элемента ЭС, по мощности и повышения эффективности и быстродействия системы.

Классификация систем автоматического управления по математической записи законов регулирования

В зависимости от математического описания процессов, про­исходящих в САУ, различают линейные и нелинейные системы. Исходя из допущений, принятых при составлении уравнений, описывающих процессы в системе, одна и та же система может быть описана как линейными, так и нелинейными уравнениями. В общем случае, когда линеаризация не приводит к потере ка­чественных особенностей и значительному изменению количест­венных соотношений, систему стремятся описывать линейными уравнениями. Так, рассмотренные ранее простейшие законы ре­гулирования, как и регуляторы, которые подчиняются этим за­конам, являются линейными. Система, показанная на рис. 8.2, при небольших отклонениях внешних воздействий можно отнести к линейной.

В нелинейных системах (системах, содержащих один или не­сколько нелинейных элементов) процессы значительно разнообразнее, чем в линейных. При наличии существенных нелинейностей поведение нелинейной системы сильно отличается от поведения линейной. Характер процесса в таких системах часто зависит от величины начального отклонения, вызванного воз­мущением. Примером нелинейной системы может служить ре­лейная система регулирования температуры, показанная на рис. 8.3. Измерительным элементом (ИЭ) системы является мост с терморезистором, сопротивление которого изменяется в функции уп­равляемой величины θ [температуры управляемо­го объекта (УО)]. При за­данной температуре ток в диагонали моста равен ну­лю. Направление тока диагонали моста зависит от знака отклонения уп­равляемой величины. Усилительным элементом является трехпозиционное поляризованное реле (Р). Его средний контакт в зависимости от знака отклоне­ния управляемой величины замыкается с верхним или нижним контактом. Из сети через контакт реле подается постоянное на­пряжение U. При переключении реле с верхнего контакта на нижний электродвигатель Д изменяет направление своего вра­щения. Двигатель через редуктор (Р) воздействует на регули­рующий орган (РО) с целью устранения возникшего отклонения температуры управляемого объекта.

Недостатком релейных систем является возможность возник­новения незатухающих колебаний (автоколебаний).

Рис. 8.3.. Принципиальная схема нелинейной системы регулирования температуры

Классификация систем автоматического управления по наличию контуров обратной связи.

В современных системах автоматического управления и ре­гулирования для повышения качества регулирования вводят местные обратные связи, которые образуют местные замкнутые контуры. Системы, имеющие как главную, так и местные обрат­ные связи, называются многоконтурными. В отличие от одно­контурной системы, имеющей только главную обратную связь, в многоконтурной системе воздействие, приложенное к какой-либо ее точке, может обойти систему и вернуться в исходную точку по нескольким параллельным путям (контурам) обхода.

Примером такой системы является система автоматическо­го регулирования напряжения с местной обратной связью.

Рис. 8.4. Система автоматического регулирования напряжения с местной обратной связью

При заданном значении напряжения генератора Uг.зад. движки потенциометров П1 и П2 находятся в среднем положе­нии. Направление магнитного потока дополнительной обмотки электромагнита ώ_мос зависит от положения движка потенцио­метра П2. При перемещении движка вниз оно будет встречным по отношению к потоку основной обмотки ω_гос при перемеще­нии движка вверх — согласным. Обмотка ώ_мос совместно с по­тенциометром П2 образует местную обратную связь, которая охватывает исполнительный двигатель (ИД), усилитель (У) и потенциометр (П1). Потенциометр П2 служит для преобразо­вания угла поворота исполнительного двигателя (ИД) в напря­жение постоянного тока. При увеличении напряжения генерато­ра Uг > U г.зад под действием обмотки ώ_гос движок потенцио­метра начнет перемещаться вверх и на входе усилителя (У) появится напряжение Uу. В результате усиления к исполнитель­ному двигателю будет приложено напряжение Uд, которое при­ведет его во вращение.

Вместе с перемещением движка реостата в цепи обмотки возбуждения генератора ИД начнет перемещать движок потен­циометра П2, что приведет к росту напряжения на обмотке ώ_мос. В результате произойдет усиление суммарного магнитно­го потока, и движок потенциометра П1 возвратится в среднее положение.

При уменьшении напряжения генератора (Uг<U г. зад.) дей­ствие обмотки ώ_гос ослабеет, движок потенциометра П2 опустится вниз, и двигатель ИД будет вращаться в другую сторону. На обмотке ώ_мос появится напряжение другой полярности, и движок потенциометра П1 переместится вверх, возвращаясь к среднему положению.

Введение местной обратной связи позволяет улучшить пове­дение системы в переходном режиме, в данном случае исклю­чить возникновение колебании напряжения генератора. Без местной обратной связи ИД вращается до тех пор, пока напря­жение генератора не будет равно заданному значению. Однако, из-за инерционности обмотки возбуждения генератора ОВГ после остановки ИД будет происходить дальнейшее изменение тока возбуждения генератора и, следовательно, напряжения ге­нератора. Изменение напряжения приведет к появлению нового отклонения управляемой величины, которое будет устраняться САР. Такой режим может привести к возникновению колебаний напряжения генератора. При наличии местной обратной связи двигатель останавливается несколько раньше момента дости­жения напряжением заданного значения, что приводит к умень­шению склонности системы к колебаниям и появлению стати­ческой ошибки.

Появление статической ошибки является недостатком рас­смотренной жесткой обратной связи.

Классификация систем автоматического управления по степени приспособленности к изменяющимся внешним воздействиям

В настоящее время приходится автоматизировать процессы, в которых как характеристики управляемого объекта, так и внешние условия могут изменяться в широком диапазоне, при­чем характер изменения внешних воздействий и параметров управляемого объекта заранее неизвестен. Так, например, при автоматизации процессов управления судном необходимо учи­тывать переменный характер воздействия: силы и направления ветра и волны, скорости и направления морского течения и т. д. Вследствие обрастания корпуса характеристики судна также изменяются во времени. Обычные САУ в таких случаях не мо­гут обеспечить высокое качество управления. Поэтому послед­нее время нашли применение новые САУ, которые называют адаптивными (приспосабливающимися).

Адаптивные системы автоматически приспосабливаются к произвольно изменяющимся внешним воздействиям и парамет­рам управляемого объекта, изменяя в процессе работы пара­метры или схему управляющего устройства с целью сохранения заданных показателей качества управления.

Рис 8.5. Схема адаптивной системы автоматического управления.

На рис. 8.5 показана схема адаптивной САУ, содержащая два контура управления. Основной контур управления представляет собой обычную САУ и образован АУУ, управляемым объектом (УО) и главной обрат­ноной связью. Контур адаптации образован устройством адаптации (УА). Для него управляемым объектом является основная САУ. Путем обработки подавае­мых сигналов устройство адап­тации определяет значение пока­зателя качества САУ, находит отклонение полученного показа­теля от заданного и воздействует на АУУ таким образом, чтобы устранить это отклонение.

Адаптивные системы делятся на самонастраивающиеся и са­моорганизующиеся. В самонастраивающихся системах УА на основе анализа изменения показателя качества вырабатывает корректирующее воздействие, изменяющее параметры АУУ основного контура. В самоорганизующихся системах УА изме­няет структуру АУУ основного контура. Самоорганизующая си­стема в общем случае не имеет жесткой структуры, а представ­ляет собой совокупность элементов, связанных случайным обра­зом. В процессе эксплуатации путем автоматического поиска с применением вычислительных и логических операций такая система производит построение определенной структуры, кото­рая соответствует поставленной цели управления.