Разновидности систем автоматического регулирования и управления

По методу управления САР и САУ подразделяются на системы, неприспосабливающиеся к изменяющимся усло­виям работы объекта регулирования и приспосабливаю­щиеся, или адаптивные системы.

Неприспосабливающиеся САУ — это наиболее простые системы, не изменяющие своей структуры и параметров в процессе управления. Практически все САР относятся к неприспосабливающимся системам. Для этих систем на основе априорной информации выбирают структуру и рассчитывают пара­метры, которые обеспечивают заданные свойства систе­мы (выполнение целей управления) для типовых или наиболее вероятных условий ее работы.

Неприспосабливающиеся САР подразделяются на три типа:

стабилизирующие системы, обеспечивающие поддержа­ние регулируемой величины на постоянном заданном значении (например, поддержание заданного значения расхода воздуха на дутье в доменной печи); програм­мные системы, обеспечивающие изменение регулируемой величины во времени по заданной программе (напри­мер, изменение расхода кислорода по ходу продувки в конвертере); следящие системы, обеспечивающие изме­нение регулируемой величины в определенном соотноше­нии с задающим воздействием, которое изменяется про­извольным образом, не зависящим от данной системы (например, регулирование соотношения топливо — воздух при управлении сжиганием топлива в мартеновской пе­чи).

Многие САУ и САР, действующие в настоящее вре­мя в черной металлургии, относятся к неприспосаблива­ющимся системам. Их структура и настройка опреде­ляются при проектировании и наладке и в дальнейшем автоматически не изменяются (перенастройка системы может при необходимости осуществляться вручную).

Приспосабливающиеся, или адаптивные САУ это та­кие системы, в которых параметры управляющих ус­тройств или алгоритмы управления автоматически и целе­направленно изменяются для осуществления, как правило, оптимального управления объектом, причем характеристики объекта или внешние воздействия на него могут изменяться непредвиденным образом. Адап­тивные САУ способны менять структуру, параметры или программу своих действий в процессе управления.

Особым случаем приспосабливающихся систем явля­ются экстремальные системы, которые автоматически ищут экстремум регулируемой величины, а так как его положение меняется в процессе работы объекта, то сис­тема автоматически изменяет направление поиска, ско­рость поиска и т. д. (меняет программу своих действий). Примером экстремальной системы может служить сис­тема регулирования чашевым окомкователем.

По характеру использования информации САУ и САР разделяются на замкнутые и разомкнутые системы. Зам­кнутые системы или системы с регулированием по от­клонению (по ошибке) используют текущую рабочую информацию о выходных величинах, определяют откло­нение регулируемой величины от заданного значения и принимают меры к устранению этого отклонения.

Замкнутые системы регулирования по отклонению работают при возмущениях, действующих по любым каналам, так как регуляторы в таких системах всту­пают в действие при наличии отклонения регулируемой величины от заданного значения, независимо от того, какой причиной это отклонение вызвано. Замкнутые системы не могут обеспечить х = х₀ в течение всего про­цесса управления, так как их работа связана обяза­тельно с наличием отклонения. Равенство х=х₀ может устанавливаться только в конце переходного процесса в положении равновесия.

Разомкнутые САР непосредственно не используют рабочую информацию о регулируемых величинах (отсут­ствует обратная связь), а регулирование осуществляется на основе информации о входных величинах. Разомкну­тые САР подразделяются на системы с жесткой про­граммой и с управлением (регулированием) по возму­щению. Примером систем с жесткой программой может служить система автоматического пуска и остановки комплекса механизмов, в которой должна выдерживать­ся определенная последовательность работы отдельных механизмов. Структурная схема такой системы показана на рис. 1.11. На вход регулятора поступает определенная программа действий x₀(t), и регулятор, являющийся устройством, реализующим заданную программу, вы­рабатывает регулирующее воздействие у, обеспечиваю­щее необходимое изменение х(т). Как видно, информа­ция о выходной величине не поступает на вход системы — система разомкнута. В металлургии примерами-разомкнутых систем с жесткой программой являются: управление загрузкой доменной печи, автоматическая перекидка клапанов мартеновской печи и др.

Рас. 1.11. Структурная схема разомкнутой САР

Рис. 1.12. Разомкнутая система регулирования температуры в печи по воз­мущению

Второй тип разомкнутых систем — системы с регули­рованием по возмущению используют информацию о входных величинах (возмущениях) и принимают меры, чтобы указанные возмущения не оказали влияние на выходную величину, т. е. как бы компенсируют возму­щения.

Рассмотрим систему регулирования температуры в печи 1, отапливаемой газом (рис. 1.12). Основным возмущением является изменение давления газа в газопроводе, которое вызывает изменение расхода топлива и, следовательно, температуры в печи /_п. Для компенсации влияния изменения давления в газопрово­де можно применить регулятор 4, называемый компенса­тором возмущений, который получает информацию о значении давления в газопроводе (о возмущении) от дат­чика давления 5 и по заранее установленному закону изменяет положение регулирующего органа 6. Давление перед горелкой при правильно выбранной структуре и законе действия компенсатора не будет зависеть от давления в газопроводе и, следовательно, изменение дав­ления в газопроводе не будет сказываться на расходе топлива и температуре печи. В этом заключается прин­цип компенсации возмущения. Теоретически можно по­лучить полную независимость (инвариантность) ре­гулируемой величины от действия возмущения и, следовательно, точное поддержание равенства х=х₀ в течение всего времени работы системы (если в системе отсутствуют другие возмущения).

В рассматриваемом примере регулируемая величина — температура печи t_a измеряется термопарой 2 и реги­стрируется прибором 3, но эта текущая информация не используется системой регулирования, т. е. отсутствует обратная связь по результатам работы системы и поэ­тому в системе нет замкнутого контура регулирования. Контур компенсации возмущения также разомкнут, так как его выходная величина (изменение положения ре­гулирующего органа) не оказывает никакого влияния на входную величину (изменение давления в цеховом газопроводе).

Приведенный пример ясно показывает, что возможна компенсация вполне определенного контролируемого воз­мущения. Если таких возмущений несколько, то для компенсации каждого из них необходим свой контур компенсации. Однако всегда остаются некоторые возму­щения, в том числе случайные и неконтролируемые, ко­торые могут вызывать отклонение регулируемой величи­ны от заданного значения. Поэтому очень часто используют одновременно оба принципа управления (по возмущению и по отклонению): существует один или несколько контуров компенсации возмущения и замкну­тый контур регулирования по отклонению. Такая систе­ма носит название комбинированной. При этом приме­няется один регулятор, а для компенсации возмущения используются разомкнутые контуры с устройствами ввода возмущения (УВВ), которые изменяют задание регуля­тору в зависимости от величин возмущений z (рис. 1.13). По результатам работы в установившемся состоянии системы делятся на астатические и статические. В аста­тических системах регулируемая величина после оконча­ния переходного процесса точно равна заданному значе­нию (практически она может отличаться от заданного значения на некоторую малую величину, обусловленную нечувствительностью систе­мы). На рис. 1.14,а показаны переходные процессы в аста­тической системе: кривая 1 при изменении заданного значения с х₀ до xqi', кривая 2 при прочих возмущениях и сохранении заданного значения с х₀ до х₀\; кривая 2 при прочих возмущениях и сохранении заданного зна­чения xq. В

статических сис-

Рис. 1.13. Структурная схема комби­нированной системы регулирования

темах после окончания переходного процесса возникает-разность между заданным и установившимся значениям, регулируемой величины, называемая статической ошиб­кой (рис. 1.14,6). Статическая ошибка зависит от вели­чины возмущения (в том числе от изменения задания) и параметров настройки регулятора, однако принципи­ально неизбежна в статических системах.

Рис. 1.14. Переходные процессы в астатических (а) и статических (б) системах регулирования

По числу регулируемых величин САУ и САР делят­ся на одномерные и многомерные.

Одномерные САУ это системы управления простей­шими объектами с одной регулируемой величиной. На­пример, в электрической нагревательной печи с не­контролируемой атмосферой имеется только одна регулируемая величина — температура печи и поэтому САР будет одномерной.

В большинстве САР и САУ регулируется несколько величин, и поэтому они являются многомерными. В неко­торых многомерных системах можно выделить несколь­ко каналов регулирования, в которых каждая регулируе­мая величина определяется своим регулирующим воздействием и канал имеет свой регулирующий орган (положение которого практически не влияет на другие регулируемые величины) и тогда объект как бы распа­дается на несколько одномерных объектов с одномерны­ми САР (система автономна по задающим и регулирую­щим воздействиям).

Вместе с тем, для многомерных систем характерно наличие связей между регулируемыми величинами. Свя­зи эти могут быть двух родов. Первый род (внутренние связи) обусловлен физическими свойствами объекта.

Так, если в мартеновской печи регулируются температу­ра свода, содержание кислорода в продуктах сгорания и давление в рабочем пространстве, то изменение рас­хода топлива (предназначенное для управления темпе­ратурой свода) будет одновременно оказывать влияние - и на содержание кислорода в продуктах сгорания, и на давление в рабочем пространстве. Второй род связей — внешние связи, т. е. определенные связи между отдель­ными регулируемыми величинами, накладываются на систему по условиям ее функционирования или на •основе требований технологического процесса. Так, при автоматическом составлении шихты какого-либо метал­лургического процесса, например агломерационного, за­дания регуляторам количества отдельных компонентов устанавливаются в зависимости от потребного суммар­ного количества шихты.

По характеру изменения регулирующих воздействий по времени САУ и САР делятся на непрерывные и пре­рывистые или дискретные. В непрерывных системах ин­формация о работе системы и регулирующие воздейст­вия есть непрерывные функции времени. В каждом элементе при наличии непрерывного изменения входной величины непрерывно меняется и выходная величина. В прерывистых системах информация и регулирующие воздействия появляются только в определенные момен­ты времени, т. е. в системе существует хотя бы один элемент, в котором при наличии непрерывного измене­ния входной величины выходная величина меняется пре­рывисто (скачкообразно) или существует только в оп­ределенные (дискретные) моменты времени.

Дискретные системы подразделяются на релейные, импульсные и цифровые. В релейных системах один из элементов, обычно это регулятор, имеет релейную ха­рактеристику: выходная величина скачкообразно изме­няется на величину А при определенном значении входной величины. В релейных системах происходит квантование входной величины по уровню.

В импульсных системах присутствует хотя бы один элемент с импульсной характеристикой: при непрерыв­ном изменении входной величины выходная величина появляется только в определенные (дискретные) момен­ты времени. Осуществляется квантование входной вели­чины по времени. Обычно это импульсный регулятор, который состоит из управляющего импульсного элемен­та (ИЭ) и исполнительного механизма (ИМ). На выходе импульсного элемента формируются импуль­сы, параметры которых зависят от входной величины.

К дискретным САУ относятся также цифровые сис­темы, в которых используются цифровые устройства: электронные цифровые вычислительные машины, цифро­вые измерительные приборы, микропроцессорные регу­ляторы (контроллеры). В цифровых системах осущест­вляется квантование величин и по уровню, и по времени,, т. е. они являются релейно-импульсными системами. Сле­дует отметить, что цифровые системы из-за высокого-быстродействия и очень малого интервала квантования по времени по результатам своей работы очень близки к непрерывным системам. Отмеченным свойством обла­дают и многие современные системы средств регулиро­вания на базе микроэлектронной техники, включающие-в себя различные аналоговые, импульсно-релейные, циф­ровые приборы и устройства.

По виду энергии, применяемой для работы, САР де­лятся на системы прямого и косвенного действия. В сис­темах прямого действия для перемещения регулирующе­го органа используется внутренняя энергия системы,, например, энергия чувствительного элемента.

В системах косвенного действия для работы системы: используется внешняя энергия. По виду энергии системы косвенного действия делятся на электрические, пневма­тические (энергия сжатого воздуха) и гидравлические (энергия масла, подаваемого под давлением). Подавляющее большинство современных САУ и САР и все АСУ относятся к электрическим, использующим различные электронные устройства, включая ЭВМ. В некоторых условиях, особенно связанных с взрыво- и пожаростойкостью, применяются пневматические системы. Чисто гидравлические системы в металлургии не используются, но гидравлические исполнительные механизмы иногда .применяются в комбинации с электрическими управляющими устройствами.