Принципы регулирования

Объект управления и элементы регулятора, образующие в со­вокупности САР, могут быть объединены двумя разными способа­ми и реализовать в зависимости от этого два различных принципа регулирования. Один из них получил название принцип регулирова­ния по отклонению параметра (принцип Ползунова - Уатта), вто­рой - принцип регулирования по возмущающему воздействию (прин­цип Понселе). Рассмотрим каждый из них пользуясь соответствую­щими структурными схемами, которые в графической форме ото­бражают последовательность прохождения потока информационных сигналов, их преобразований при функционировании системы.

На рис.1.2. приведена структурная схема системы регулирова­ния "по отклонению параметра" или, как короче называют — "по отклонению". Величина параметра объекта управления Р воспри­нимается датчиком и преобразуется в другую физическую вели­чину — сигнал - [Р]. В элементе сравнения этот сигнал вычита­ется из сигнала задатчика цели (З.Ц.) управления. Сигнал задатчика несет информацию о желаемом значении параметра, а сам задатчик является своего рода запоминающим устройством, хранящем в виде сигнала [Р₃] информацию о конечной цели регу­лирования. Сигнал разницы (отклонения) ∆ после усиления преоб­разуется исполнительным устройством в пропорциональное по ве­личине и знаку изменение управляющего воздействия ∆Х_у. Измене­ние управляющего воздействия на ОУ приводит к изменению его параметра. Измененное значение параметра Р преобразуется дат­чиком в новое значение сигнала [Р] и т.д. Процесс изменения пара­метра происходит до тех пор, пока сигнал Д не достигнет нулевого значения. Достижение этого состояния произойдет обязательно, т.к. при ненулевых значениях ∆, величина и знак управляющего воздей­ствия будут направлены на достижение этой цели. В результате, фактическое значение параметра Р станет равным заданному (же­лаемому) Р₃. Если, к примеру Р>Р₃, то ∆<0, ∆Х_у<0, управляющее воздействие уменьшается, следовательно уменьшается величина Р, приближаясь к Р₃; если Р<Р₃, то ∆>0, ∆Х_у>0, величина Р увели­чивается приближаясь к Р₃. Таким образом, в любом случае, уп­равляющее воздействие имеет такой знак, при котором величина параметра будет приближаться к заданному значению. Величина управляющего воздействия будет влиять на скорость при­ближения параметра к конечной цели, а значит и на быстроту дости­жения регулятором этой цели.

Рис. 1.2. Структурная схема системы автоматического регулирования "по отклонению параметра":

О.У. - объект управления;

И.У. - исполнительное устройство;

P.O. - регулирующий орган;

И.М. - исполнительный механизм;

З.Ц. - задатчик цели (заданного значения параметра);

Ус - усилитель;

Э.С. - элемент сравнения

Кольцевая структура, которую образуют объект управления элементы регулятора (датчик, элемент сравнения, исполнительны механизм и регулирующий орган) получила название контур регулирования. В реальных системах регулирования, даже для одно объекта, контуров регулирования может быть много, например, если речь идет об управлении несколькими параметрами ОУ.

Представленная схема является иллюстрацией так называемой обратной связи,которую создают в системе эле­менты регулятора, и которая заключается в том, что параметр объекта управления Р, пройдя все преобразования в элементах регулятора, превращается в управляющее воздействие X _у на са­мого себя.

Идея обратной связи напоминает собой идею вечного дви­гателя, только в данном случае речь идет об "информационном вечном двигателе", которым и является система автоматичес­кого регулирования. Механизм обратной связи широко использу­ется также и в самих элементах регулятора, это позволяет полу­чить требуемые характеристики преобразования информации эле­мента и повысить их стабильность.

На рис.1.3. в качестве примера системы автоматического регу­лирования "по отклонению", приведен вариант системы (точнее - подсистемы) регулирования режимом работы бульдозера.

Рис. 1.3. САР нагрузки двигателя бульдозера:

1 - золотниковый гидропереключатель; 2 - плунжеры соленоидов;

3 - силовой гидроцилиндр; ЭМ1, ЭМ2 - катушки соленоидов

Объектом управления является бульдозер. Параметром управ­ления выбрана величина мощности Q развиваемая двигателем ма­шины. Целью управления является поддержание заданного посто­янного значения мощности Q₃. Смыслом такой постановки задачи управления является обеспечение максимальной производительно­сти машины (т.к. мощность мотора идет на выполнение работы по срезанию и перемещению грунта), при отсутствии недогрузки или перегрузки двигателя.

Управляющим воздействием взята величина заглубления отва­ла в грунт. Обеспечению постоянной загрузки двигателя препят­ствует непостоянная величина жесткости грунта, что и является в данной ситуации основным возмущающим воздействием.

Фактическая мощность двигателя Q оценивается не непосред­ственно, а как результат произведения измеренных соответствую­щими датчиками скорости вращения вала n и момента М на валу мотора. Результатом произведения сигналов [n] и [М] является сиг­нал [Q], несущий информацию о фактической мощности развивае­мой двигателем. Сигнал разницы ∆ после усиления управляет че­рез соленоиды ЭМ1 и ЭМ2 положением золотника. Если сигнал ∆>0, что будет иметь место при Q<Q₃т.е. при недогрузке двига­теля, положительный сигнал усилителя через верхний диод посту­пит на катушку соленоида ЭМ1, который втянет плунжер, в резуль­тате напор жидкости в гидросистеме через золотник будет посту­пать в верхнюю половину гидроцилиндра, что приведет к заглубле­нию отвала бульдозера. Заглубление будет производится до тех пор, пока сигнал ∆ не примет нулевое значение, т. е., пока мощность на валу мотора машины не достигнет желаемого значения. Если жесткость грунта на пути движения машина увеличится, то воз­растет момент нагрузки на валу двигателя и возрастет величина Q, сигнал ∆ примет отрицательное значение, отрицательный сиг­нал усилителя через нижний по схеме диод поступит на катушку соленоида ЭМ2. Гидроцилиндр начнет поднимать отвал, снижая нагрузку на двигатель. Таким образом, изменяя величину заг­лубления отвала в грунт, регулятор обеспечивает постоянную загрузку двигателя.

Регулирующим органом, непосредственно оказывающим уп­равляющее воздействие, можно считать отвал бульдозера, в роли исполнительного механизма, приводящего регулирующий орган в движение, можно рассматривать гидросистему с соленоидным приводом золотникового гидропереключателя.

Влияние усилителя сигнала ∆ проявляется в быстроте и точно­сти, с которой система восстанавливает заданное значение мощнос­ти Q при её отклонении от заданного значения из-за возмущений. Увеличение коэффициента усиления усилителя в K_vc раз, приведет в К_ус раз большему значению величины сигнала поступающего на ка­тушки соленоидов золотникового гидропереключателя, и, как след­ствие, - к пропорционально большему потоку жидкости в гидроци­линдр и большей скорости перемещения отвала.

Но, оказывается, беспредельно увеличивать коэффициент уси­ления нельзя. По мере роста К_ус происходит улуч­шение точности поддержания заданного значения параметра - Q, но затем происходит обратное, - значительно увеличивается время вос­становления заданного значения параметра при действии возмуще­ний. Причем, из-за инерционности системы гидравлики, отвала, дат­чиков измерения мощности двигателя, характер приближения мощ­ности к Q₃ имеет вид затухающих колебаний около Q₃: - отвал то слишком заглубляется в грунт, то излишне поднимается. При даль­нейшем увеличении К_ус, колебания становятся незатухающими и с нарастающей амплитудой. Такое явление называется потерей устой­чивости системы регулирования. При большом размахе колебаний параметров объекта управления, возникающие в нем нагрузки мо­гут превысить допустимые пределы и даже довести объект управ­ления до физического разрушения.

Справляясь с задачей стабилизации мощности мо­тора, работа системы регулирования приве­дет к тому, что участки поверхности с более мягким грунтом будут выбираться глубже, чем более жесткие, что во многих случаях выполнения земляных работ потребует впоследствии проведения дополнительной планировки поверхности с неизбежными затратами времени и средств.

Подобные ситуации, а они встречаются не редко в практике автоматизации, могут дискредитировать саму идею автоматизации. Пользуясь рассмотренным примером можно полагать, что такая ситуация возникла не потому, что "техника ещё не может заменить человека", а потому, что человек создавав­ший автоматизированный бульдозер не уделил должного внимания формализации задачи управления, т.е либо не заметил, либо за­был учесть какие-либо возможные нюансы в технологии исполь­зования машины.

Рассмотренный выше пример автоматизации бульдозера мож­но легко видоизменить таким образом, чтобы и двигатель был стабильно загружен и планируемая поверхность не имела "рель­ефа жесткости". Для этого можно выбрать в качестве управляю­щего воздействия не величину заглубления отвала, а, к примеру, - передаточный коэффициент редуктора двигатель - трансмис­сия К_р. В этом случае поведение машины будет иным: на мягком грунте, чтобы не снизить загрузку двигателя, регулятор увели­чит передаточное отношение редуктора, что приведет к возрас­танию скорости движения машины; на жестком наоборот, - ско­рость снизится. Но и такое решение задачи автоматизации буль­дозера имеет свои скрытые "проколы". Например, при работе ма­шины на скользком грунте (мокрая глина) сила сопротивления движению отвала, при заданном его заглублении, может превы­сить силу сцепления колес (гусениц) с грунтом. В итоге, нагрузка на двигатель будет малой, т.к. ему "легко" вращать скользящие гусеницы, а система регулирования будет наращивать скорость их вращения, машина же будет оставаться неподвижной. Чтобы устранить и этот недостаток необходимо предусмотреть возмож­ность измерения и учета машиной степени скольжения. Это оз­начает, что кроме "старого параметра" - мощности мотора не­обходимо дополнительно в систему ввести новые. Не углубляя рассмотрение вопроса автоматизации бульдозера, отметим сле­дующие общие моменты:

- без знания технологического процесса, его особенностей не­возможно рационально спроектировать систему регулирования;

-главным при создании систем управления является не "вы­думывание" и рисование всевозможных схем и "изобретение" различных элементов и узлов. Главным является формализация задачи управления, лаконичная (без ненужных подробностей) и, в то же время, охватывающая все реально возможные ситуации в поведении технологического процесса. Под формализацией за­дачи подразумевается, в первую очередь, выбор перечня необхо­димых параметров процесса (мощность двигателя, степень сколь­жения гусениц и др.) и управляющих воздействий (заглубление отвала, коэффициент передачи редуктора и др.), и указание желае­мых значений выбранных параметров;

- анализ поведения системы, на основе лишь только структур­ной схемы, уже позволяет легко обнаружить серьезные, принципи­альные промахи в решении задачи (неверный выбор параметров, уп­равляющих воздействий, неверный выбор конечных [желаемых] значе­ний параметров), или наоборот: - убедиться в правильности выбранных решений. В настоящее время для такого анализа широко применяются компьютеры, позволяющие смоделировать процесс управления не только для отдельных частных ситуаций, но и наглядно продемонстриро­вать разработчику будущей системы её поведение в динамике, при всевозможных изменениях технологических факторов.

Рассмотрим принцип регулирования "по возмущающему воздействию" ("по возмущению"). Структурная схема системы автоматического регулирования работающего на основе этого принципа представлена на рис.1.4.

В отличие от рассмотренной выше САР "по отклонению", в системе автоматического регулирования "по возмущению" вели­чина параметра Р непосредственно не измеряется и не учитыва­ется. Измеряется причина её изменения - возмущающие воздей­ствия Х_{в .} Преобразованный датчиком сигнал [Х_в], несущий ин­формацию о величине возмущающих воздействий вычитается из сигнала задатчика [Х_э]. Разница [Х_у], рассматривается в системе, как сигнал несущий информацию о необходимом управляю­щем воздействии Х_у. Предположим, что в системе отсутствуют воз­мущающие воздействия (Х_в=0). В этом случае будет иметь место Х_у=Х_э, т.е. на объект управления воздействует лишь управляющее воздействие, равное эталонному.

Если появится положительное (по знаку) возмущающее воздей­ствие, то величина управляющего будет уменьшена на Х_в. Если воз­мущение будет отрицательным, то управляющее воздействие на столько же увеличится. Из приведенной схемы следует, что объект управления испытывает оба воздействия Х_у и Х_в, при этом:

Х_У + Х_В = (Х_Э - Х_В) + Х_В = Х_Э;

Это значит, что независимо от того, есть возмущения или их нет, объект управления всегда испытывает постоянное воздействие равное эталонному, а значит его параметр сохраняется неизмен­ным, заданным.

Рис. 1.4. Структурная схема САР "по возмущению":

О.У. - объект управления;

И.У. - исполнительное устройство;

З.Э.В. - задатчик эталонного воздействия (при котором обеспечивается заданное состояние ОУ)

Главным достоинством регулирования "по возмущению" явля ется его упреждающий характер, - величина параметра ОУ еще н успела изменится из-за возмущающих факторов, а величина управ­ляющего воздействия регулятора уже скорректирована, причем сра­зу на необходимую величину. Это значит, что регулятор "по возму­щению" может обеспечивать абсолютно точное значение парамет­ра объекта, без малейших её колебаний. Но это возможно только в том случае, если регулятор учитывает все возмущающие воздей­ствия, что на практике выполнить затруднительно. Если обратиться к рассмотренному выше примеру автоматизации бульдозера, то при со­здании системы регулирования на основе принципа "по возмущению" пришлось бы измерять жесткость грунта, рельеф поверхности, наклон машины, степень износа трансмиссии и отвала, количество налип­шей на гусеницы и другие элементы машины глины и др. Т.о., зада­ча значительно усложняется технически, - чем с большей точнос­тью необходимо управлять, тем большое количество датчиков не­обходимо устанавливать, вплоть до измерения веса бульдозериста.

Поэтому регулирование "по возмущению" крайне редко использует­ся самостоятельно (лишь в том случае, когда возмущающих воз­действий мало и их легко измерить), чаще такое регулирование ис­пользуется как дополнительное, вспомогательное в регуляторах "по отклонению". В этом случае измеряются лишь некоторые, наибо­лее влияющие на состояние ОУ возмущения. Такое комбинированное управление позволяет улучшить реакцию регулятора в динамике, - он не будет ожидать изменения параметра, а сразу отреагирует на возму­щающий фактор. Например, в некоторых системах кондиционирования воздуха, обеспечивающих заданную величину температуры в помеще­нии и функционирующих на основе принципа регулирования "по откло­нению", дополнительно устанавливаются т.н. солнечные датчики, дающих сигнал о наличии - отсутствии прямых солнечных лу­чей. При наличии солнца в помещении, система снижает на 2-3° установленное значение температуры, за счет чего повышается комфортность, хотя и без такого датчика система будет оста­ваться работоспособной.

Примером САР на основе принципа регулирования "по возмуще­нию" служит схема введения присадочного порошка (рис.1.5.).Система включает в себя, как составные элементы, два регулятора реализующих принцип регулирования "по отклонению": - регулятор - стабилизатор загрузки бункера весового дозатора, регулятор - стабилизатор загрузки бункера весового дозатора жидкости.

Загрузка в бункер весового дозатора производится ленточным транспортёром из накопительного расходного бункера. В процессе загрузки датчиком веса измеряется вес бункера Р_п, сигнал датчика [Р_п] вычитается из сигнала задатчика веса [Р³_п]. Положи­тельное значение сигнала разницы S является командой для блока управления приводом на включение двигателя транспортера; отри­цательное и нулевое - на отключение. Т.о., загрузка ВДП будет про­исходить до тех пор, пока в бункере не будет заданное значение веса порошка. Аналогичным образом работает регулятор загрузки дозатора жидкости. Подача в бункер ВД будет происходить до тех пор, пока сигнал датчика веса [P_в] и задающий сигнал [Р^к_в] не сравняются. Необходимо заметить, что сигнал [Р^к_в] не является постоянным, его величина зависит от количества порошка в жидкой фазе. Чем меньше концентрация порошка, тем меньше жидкости заливается в дозатор ВДЖ. Непостоянное количество порошка является возмущающим воздействием, парамет­ром регулирования - концентрация, управляющим воз­действием, компенсирующим возмущение - коррекция дозировки через ВДЖ. Определение количества жидкости произво­дится следующим образом: датчик концентрации, установлен­ный в бункере ВДП вырабатывает сигнал [W] несущий информа­цию о фактической концентрации, затем производится перемно­жение сигнала, результат - сигнал [Р^к_в] не­сет информацию о количественном соотношении фаз.

В элементе вычитания А происходит формирование скорректи­рованного сигнала дозировки [Р^к_в], который и является задаю­щим для САР управляющей дозировкой жидкости в ВДЖ.

Такая система регулирования подачи жидкости в ВДЖ реализует принцип регулирования "по отклонению" является лишь элементом (исполнительным устройством) в САР.

Это значит, что системы регулирования могут находиться в подчинении одна у другой, т.е. образовывать иерархические струк­туры САР. При рассмотрении технической стороны, то одним из сложных вопросов при реализации такой системы является оперативное из­мерение концентрациис необходимой точностью. Чаще всего, в качестве датчика концентрации используется емкостный тип датчика. Применительно к рассмат­риваемому случаю его типовая конструкция приведена на рис. 1.6.

Корпус бункера ВДП и измерительный зонд, точнее его открытая часть, совместно образуют электрический конденсатор, межэлектрод­ным материалом которого является порошок. Одна часть зонда рас­полагается в нижней, конической части бункера, где плотность порошка максимальна и стабильна. Верхняя же часть зонда покрыта толстым слоем изоляционного материала, за счет чего верхний рыхлый слой "отодвинут" от электрода зонда и "не участвует" в оценке концентрации. Емкость конденсатора С зависит от размеров конструкции, но, глав­ное, - от величины относительной диэлектрической проницаемос­ти материала ε между электродами. Для большинства сухих сыпу­чих материалов ε находится в диапазоне от 4 до 8 единиц (ε величина безразмерная). Для жидкости величина ε=81 из чего следует, что даже небольшое количество её в материале резко увеличива­ет значение его относительной диэлектрической проницаемости.

Рис. 1.5. Система стабилизации:

ВДП - весовой дозатор порошка; ВДЖ- весовой дозатор жидкости;

БУП - блок управления приводом транспортера загрузки;

ИМ - исполнительный механизм привода запорного клапана;

РБП - расходный бункер подачи порошка;

1-датчик концентрации

2,3 - датчики веса;

4 - задатчик весовой порции по рецептуре;

5- запорный клапан;

6 - задатчик весовой порции;

7 - двигатель привода транспортера

Рис. 1.6. Конструкция емкостного датчика концентрации

Измеряя емкость датчика, можно с достаточной точностью (погрешность составляет 1+1,5%) судить о концентрации.

Подобные системы стабилизации величины концентрации применяются на современных смесительных узлах с высо­ким уровнем автоматизации. В настоящее время, такого рода сис­темы управления строятся исключительно на основе программно управляемых контроллеров (см. лаб. работу №2), объединенных ло­кальной компьютерной сетью, при этом, как правило, решается весь комплекс задач связанных с автоматизацией, в том числе и стабилизация соотношения.

Рассмотренные структурные схемы не следует понимать буквально, как чертеж, как схему конструкции регулятора. Любая структурная схема является графической формой представ­ления алгоритма управления, который может быть реализован как аппаратно, так и программно. На структурных схемах показаны лишь основные, принципиально необходимые действия (преобразования) для достижения поставленной цели управления.

На основе структурной схемы при проектировании САР, стро­ится функциональная схема, в которой подробно, например в виде уравнений, представляются функции составляющих её элементов, что позволяет произвести расчет "качества" процесса регулирова­ния: -точность, быстродействие, степень устойчивости и др. Но это не значит, что структурная схема является лишь необязательным иллюстративным материалом. Она позволяет произвести, как в рас­смотренном выше примере с бульдозером, предварительный анализ поведения разрабатываемой системы.

Дата добавления: 2017-02-01