Системы управления прямого и непрямого действия

Рассмотрим структуру системы автоматического регулирования с обратной связью (рис. 1.15). Регулятор Р на базе информации об ошиб­ке e(t), т.е. отклонении управляемой переменной y(t) от задания y*(t), формирует по некоторому алгоритму управляющее воздействие u(t) на объект ОУ.

 

Используют различные алгоритмы, или, как еще говорят, законы регулирования. Приведем некоторые из них, полагая, что все перемен­ные являются функциями непрерывного времени.

Пропорциональный закон (П-закон) регулирования имеет ясную логику — чем больше ошибка, тем сильнее воздействие на объект. Если регулятор трактовать как преобразователь сигналов, то математически алгоритм выражается так:

Интегральный закон (И-закон) регулирования означает, что уровень воздействия на объект определяется суммарной ошибкой, накопившейся за определенное время:

 

 

Если продифференцировать последнее выражение по времени, получим

т.е. ошибка системы определяет скорость изменения управляюще­го воздействия.

Характерной чертой И-закона является то, что уп­равляющее воздействие изменяется до тех пор, пока ошибка не ста­нет равной нулю.

Пропорционально-интегральный закон (ПИ-закон) является комби­нацией двух предыдущих:

 

Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон (ПИД-закон) формирует управляющие воздействия с учетом и скорости изме­нения ошибки:

 

 

Этот закон наиболее часто реализуется в системах промышленной автоматики.

1.5.3. Классификация систем управления по энергетическому признаку

Хотя переменные — входы и выходы элементов систем управления — в теории управления рассматриваются как носители информации, не следует забывать, что исполнение принятого в управляющем устрой­стве решения об оказании управляющего воздействия на объект связа­но с энергетическими затратами, иногда значительными.

Для оказания управляющего воздействия может использоваться энергия самого управляемого процесса, отбираемая через измеритель­ный элемент. В этом случае говорят о прямом регулировании. Широко распространены поплавковые регуляторы уровня прямого действия, например, для карбюраторов автомобильных двигателей (рис. 1.16). Здесь поплавок одновременно осуществляет три операции: измерение уровня, принятие решения об оказании управляющего воздействия и исполнение решения. Аналогичный принцип регулирования уровня воды в котле паровой машины реализовал русский механик И. И. Ползунов.

Английский механик Дж. Уатг (J. Watt) построил прямую систему ав­томатического регулирования частоты вращения вала паровой маши­ны с центробежным датчиком. Следует заметить, что все приведенные примеры систем прямого регулирования реализуют принцип управле­ния по замкнутому циклу.

 

Достоинством систем прямого регулирования является простота и надежность. Они, как правило, органично вписываются в конструкцию управляемых объектов, не требуя посторонних источников энергии. Недостатком этих систем является невысокая точность при необходи­мости обеспечивать большие усилия для перемещения управляющих органов. Например, при стабилизации уровня жидкости в большом ре­зервуаре с помощью регулятора прямого действия пришлось бы силь­но увеличивать объем поплавка. Для точного регулирования частоты вращения паровой машины большой мощности, пар в которую подает­ся через регулирующий клапан с большим усилием перестановки што­ка, необходимо увеличивать вращающиеся массы центробежного дат­чика, что приводит к ухудшению качества переходных процессов.

Для повышения точности управления объектами, требующими зна­чительных энергетических затрат на управление, необходимо разделе­ние функций между измерительным и исполнительным элементами систем управления. В системах непрямого действия для оказания уп­равляющего воздействия на объект

привлекается дополнительный ис­точник энергии. На рис. 1.17 изображена принципиальная схема такой системы для стабилизации уровня жидкости. Измеритель уровня — поплавок — имеет небольшие размеры, так как перемещение подвиж­ного контакта потенциометра П не требует больших усилий. Напряже­ние Дм, пропорциональное отклонению уровня от заданного, усиливается в усилителе У и приводит во вращение двигатель Д. Двигатель через редуктор Р перемещает клапан на трубопроводе притока жидко­сти. Как усилитель, так и обмотка возбуждения двигателя потребляют электроэнергию дополнительного источника.

 

 

Достоинством систем непрямого управления является более высо­кая точность. Недостатком — большая сложность и стоимость, необхо­димость дополнительных источников энергии, меньшая надежность.По виду используемой для управления энергии различают электри­ческие, механические, гидравлические, пневматические, электрогид­равлические и другие системы автоматического управления.