Принцип управления по отклонению
Принцип обратной связи (принцип управления по отклонению) называют принципом Ползунова-Уатта в честь создателей первых промышленных регуляторов, построенных по этому принципу. Основная задача автоматического регулирования сводится к обеспечению равенства у(t) = g(t). Большинство САУ решают эту задачу, используя принцип регулирования по отклонению. Функциональная схема такой САУ показана на рис. 2.8.
Суть принципа регулирования по отклонению заключается в следующем. Регулируемая величина у(t) измеряется с помощью чувствительного элемента (ЧЭ) и в виде сигнала обратной связи уос(t) поступает на сравнивающее устройство (СУ). На это же сравнивающее устройство от задающего устройства (ЗУ) поступает сигнал задающего воздействия g(t). На выходе СУ формируется сигнал, равный отклонению регулируемой величины от заданной, т. е. ошибка рассогласования x(t) = g(t) – уос(t) (сравниваемые величины должны иметь одну физическую природу). Этот сигнал поступает на устройство управления (УУ), которое формирует управляющее воздействие u(t) на объект управления (ОУ). Сигнал ошибки рассогласования обычно мал для дальнейшего преобразования, поэтому перед УУ может располагаться усилитель. Управляющее воздействие будет изменяться до тех пор, пока регулируемая величина у(t) не станет равна заданной g(t). На объект управления постоянно влияют различные возмущающие воздействия f(t): нагрузка на объект, внешние факторы и др. Эти возмущающие воздействия стремятся изменить величину у(t), но САУ постоянно определяет отклонение у(t) от g(t) и формирует управляющий сигнал, стремящийся свести это отклонение к нулю.
Рис. 2.8. Функциональная схема системы управления по отклонению
Системы, построенные по такому принципу, называют еще и системами управления по ошибке.
Если система идеальна, то x(t) = 0. Для реальных систем x(t) не равно 0, и речь может идти только об уменьшении ошибки.
Достоинствами принципа являются:
– управляющая воздействия формируется независимо от того, какая причина вызвала отклонение управляемой величины;
– возможность осуществлять управление объектом в условиях некоторой неопределенности.
Недостатками принципа являются:
– относительно низкое быстродействие, которое объясняется тем, что компенсация системой действия возмущений начинается только тогда, когда эти возмущения приводят к изменению управляемой величины;
– наличие ошибки управления в переходном процессе;
– из-за наличия замкнутой цепи в таких системах могут возникать колебания, которые в ряде случаев делают их неработоспособными.
В качестве сравнивающих устройств применяют компараторы и дифференциальные усилители (сравнение постоянных напряжений, результат – напряжение), пружины (сравнение сил, результат – деформация пружины), мостовые схемы (сравнение сопротивлений, результат – напряжение в измерительной диагонали моста), зубчатые дифференциалы (сравнение углов поворота, результат – угол поворота), сельсины и вращающиеся трансформаторы (сравнение углов поворота, результат – напряжение). Некоторые величины, например постоянные напряжения, можно сравнивать непосредственно, подав их навстречу друг другу (для напряжений – включив в противоположной полярности).
По принципу обратной связи строятся практически все системы автоматического регулирования (САР). Типовая схема САР показана на рис. 2.9.
Рис. 2.9 – САР
Основными элементами САР являются ЗУ, СУ, ЧЭ (рассмотрены ранее), исполнительное устройство ИУ, предназначенное для непосредственного воздействия на регулирующий орган объекта регулирования. Кроме того, в любом месте системы могут располагаться преобразовательные элементы ПЭ, предназначенные для преобразования физической природы или уровня сигнала. По сути дела, ЧЭ и ИУ также являются преобразовательными элементами, расположенными в определенных местах системы – перед объектом и в начале цепи обратной связи. Один из типовых преобразовательных элементов – усилитель У, располагаемый после сравнивающего устройства, так как сигнал ошибки рассогласования обычно невелик и требует усиления.
Рассмотрим пример САР.
Рис. 2.10. САУ (САР) температурой в камере по отклонению
Функциональная схема САР показана на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Функциональная схема САР
Рассмотрим пример САР частоты вращения ротора электродвигателя постоянного тока.
В систему, рассмотренную в качестве примера реализации принципа разомкнутого управления, вводится обратная связь. Частота вращения измеряется с помощью тахогенератора ТГ (рис. 2.12, а) и преобразуется в сигнал обратной связи Uтг, который сравнивается с задающим напряжением Uз. Результатом сравнения является напряжение рассогласования ΔU = Uз – Uтг. Операция сравнения напряжений в данном случае производится без сравнивающего устройства путем включения напряжений в требуемой полярности «встречно» друг другу.
а)
б)
Рис. 2.12. Принципиальная (а) и функциональная (б) схемы САР частоты вращения ротора электродвигателя постоянного тока