ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В АСР

Для выяснения сущности обратной связи проанализируем подробно процесс регулирования в замкнутой АСР по отклонению.

Рассмотрим действие обратной связи в АСР уровня в емкости (см. рис. 3 и 4). Пусть первоначально расходы на притоке и потреблении одинаковы, а уровень равен заданному. Если возникнет случайное возмущение, например потребление уменьшится, то уровень начнет расти. Если бы обратной связи не существовало, т. е. поплавок не был бы связан с клапаном, рост уровня продолжался бы все время, пока потребление из емкости меньше притока вплоть до ее переполнения. Действие же обратной связи приводит к тому, что по мере роста уровня клапан будет все больше и больше прикрываться, уменьшая тем самым расход на притоке.

Этот расход будет уменьшаться до тех пор, пока не прекратится рост уровня, т. е. снова не наступит равенство притока и потребления. Таким образом, в результате действия обратной связи рост уровня, вызванный возмущением со стороны потребления, прекратится. При этом положение клапана будет отличаться от первоначального (он будет больше прикрыт), а так как клапан жестко связан с поплавком, измеряющим уровень, то и значение уровня станет иным, чем заданное. Отсюда следует, что такая АСР уровня компенсирует вредное действие возмущения не полностью: рост уровня прекращается, но он не возвращается к заданному значению.

Существуют системы, которые устраняют рассогласование полностью. Примером может служить АСР давления в воздушном ресивере с притоком и потреблением воздуха. Принципиальная схема этой системы приведена на рис. 6, а взаимодействие ее элементов можно проследить по структурной схеме на рис. 5,б.

Рис. 6. Автоматическое регулирование давления воздуха в ресивере:

1 – ресивер, 2 – клапан, 3 – груз, 4 – шток, 5 – мембрана, 6 – соединительная трубка.

Цель управления здесь — стабилизация давления в ресивере воздействием на расход воздуха на притоке. Объектом в системе является ресивер 1 с притоком и потреблением, регулируемым параметром х — давление в ресивере, регулирующим и — расход воздуха на притоке, возмущением v — расход воздуха на потреблении.

Расход на притоке изменяется клапаном 2, являющимся регулирующим органом. Функцию измерительного устройства выполняет мембрана 5, роль сумматора и регулятора — шток 4. Заданное значение давления х_зад определяется весом груза 3.

Давление в ресивере через трубку 6 действует снизу на мембрану 5 и создает на ней и, следовательно, на штоке усилие, пропорциональное измеряемому давлению и направленное вверх. Это усилие сравнивается с весом груза, также действующего на шток, но направленного вниз. Результирующее усилие на штоке является рассогласованием Δхи вызывает его перемещение. В результате изменяется степень открытия клапана μ, а значит, и расход воздуха на притоке, т. е. регулирующий параметр u.

Пусть в начальный момент времени давление в ресивере равно заданному. Тогда усилие на мембране уравновешивается весом груза н поэтому результирующее усилие на штоке равно нулю. Шток при этом неподви­жен и занимает такое положение, при котором приток равен потреблению. Тогда давление в ресивере не будет изменяться.

Предположим, что расход потребляемого воздуха уменьшился, т. е. в системе возникло возмущение. Тогда количество воздуха в ресивере начнет увеличиваться и давление в нем будет возрастать. Это приведет к увеличению усилия, действующего на мембрану со стороны измеряемого давления. В результате шток начнет перемещаться вверх, а клапан прикрываться, уменьшая приток воздуха в ресивер. Перемещение штока и уменьшение притока воздуха будут продолжаться до тех пор, пока усилия на штоке не уравновесятся. Так как вес груза не изменился, то при уравновешивании усилий на штоке давление в ресивере снова вернется к заданному значению.

Таким образом, в рассмотренной АСР регулирующее воздействие осуществляется до тех пор, пока не исчезнет рассогласование. Способность этой системы в отличие от АСР уровня в емкости полностью устранять рассогласование, вызванное случайными возмущениями, является ее важной особенностью.

Из рассмотренных примеров видно, что действие обратной связи направлено на уменьшение рассогласования независимо от того, какими причинами оно вызвано. Убедимся теперь, что это свойство обратной связи проявляется в любой АСР по отклонению. Для этого рассмотрим структурную схему АСР по отклонению (см. рис. 5, б).

Предположим, что сначала все сигналы в системе постоянны. Если под действием каких-либо возмущений регулируемый параметр х начнет изменяться, то будет изменяться и рассогласование Δх. Регулятор станет реагировать на изменение рассогласования и через регулирующий орган изменять регулирующий параметр и. Регулирующее воздействие на объект будет стремиться вернуть регулируемый параметр х к его первоначальному значению, компенсируя тем самым действие возмущения. Этот процесс в АСР не прекратится до тех пор, пока регулируемый параметр не перестанет изменяться, так как любое его изменение преобразуется сумматором С, регулятором Р, исполнительным механизмом ИМ и регулирующим органом РО в регулирующее воздействие на объект.

Итак, в любой АСР возмущение стремится вывести ее из состояния равновесия, а действие обратной связи — вернуть к нему. Под состоянием равновесия, или установившимся состоянием, понимают такое состояние системы управления, при котором отсутствуют возмущающее и регулирующее воздействия, и поэтому все ее сигналы остаются неизменными во времени. Аналогично определяется состояние равновесия отдельных элементов системы: объекта, регулятора и т. д. Любое другое состояние системы или ее элементов называется неустановившимся.

Используя понятие равновесия системы управления, можно сформулировать основное различие рассмотренных АСР уровня в емкости и давления в ресивере. АСР давления независимо от величины возмущающего воздействия всегда стремится к одному и тому же состоянию равновесия, в котором рассогласование между регулируемым параметром и его заданием равно нулю. В АСР уровня состояние равновесия зависит от величины возмущающего воздействия и поэтому рассогласование может быть и не нулевым.

В первом случае регулятор и сама АСР называются астатическими, а во втором — статическими.

Установившееся рассогласование в состоянии равновесия АСР называется остаточным отклонением или статической ошибкой.

Любой астатический регулятор обладает следующим характерным свойством: его выходной сигнал непрерывно изменяется, пока на его входе имеется ненулевое рассогласование, и становится постоянным лишь после исчезновения рассогласования. Таким образом, состоянию равновесия астатического регулятора соответствует нулевой входной сигнал, а его выходной сигнал при этом может иметь любое значение.

Чтобы регулятор был астатическим, он должен содержать элемент, обладающий указанной реакцией на входной сигнал. Такой элемент называется интегратором. Он не обязательно должен быть частью конструкции регулятора: иногда функцию интегратора выполняет исполнительный механизм.

В статическом же регуляторе состояние равновесия может быть достигнуто и при ненулевом входном сигнале. При этом выходной сигнал регулятора однозначно связан с входным: каждому значению установившегося рассогласования соответствует одно определенное значение установившегося выходного сигнала.

Так, в астатическом регуляторе АСР давления в ресивере (см. рис. 6) шток 4 будет непрерывно перемещаться, пока результирующее усилие на нем не станет равным нулю. В момент уравновешивания на штоке усилий со стороны мембраны 5 и груза 3 он остановится в произвольном положении. Следовательно, здесь шток выполняет функцию интегратора. В статическом регуляторе АСР уровня в емкости (см. рис. 3) в момент уравновешивания каждому углу поворота рычага 2 соответствует свое положение штока 3.

Характер процесса регулирования в замкнутой АСР существенно зависит от усиления сигналов в контуре регулирования, состоящем из прямой и обратной связей. Эффект усиления в таком контуре характеризуется глубиной обратной связи. Чтобы определить глубину обратной связи, нужно разорвать контур регулирования, например, между сумматором и регулятором. Если в такой разомкнутой АСР создать на входе регулятора не­которое рассогласование, то этот сигнал, пройдя по контуру регулирования, в свою очередь, вызовет на выходе сумматора некоторое рассогласование. Тогда отношение этого рассогласования к рассогласованию на входе регулятора и будет глубиной обратной связи.

Как известно, в астатическом регуляторе постоянно (ненулевое) рассогласование вызывает непрерывное изменение выходного сигнала. Следовательно, в разомкнутой астатической АСР рассогласование на выходе сумматора, а значит, и глубина обратной связи неограниченно увеличиваются с течением времени. В статической же АСР глубина обратной связи вполне определенная. Отсутствие статической ошибки в астатической АСР обусловлено именно бесконечно большой глубиной обратной связи.

До сих пор рассматривалась такая обратная связь АСР, при которой регулирующее воздействие, вызванное рассогласованием, приводит к его уменьшению. Такая обратная связь называется отрицательной. В приведенных примерах АСР обратная связь была отрицательной. Возможно и противоположное действие обратной связи, когда увеличивается первоначальное рассогласование в АСР. Такая обратная связь называется положительной.

Если в рассмотренных АСР изменить конструкцию клапана таким образом, чтобы при движении штока вверх он открывался, а при движении вниз — закрывался, то обратная связь станет положительной.

Очевидно, что положительная обратная связь противоречит основному назначению АСР — уменьшению рассогласования. Поэтому такая обратная связь применяется только для вспомогательных целей (например, для коррекции свойств отдельных элементов АСР).