Обратная связь в АСР

Автоматические системы регулирования

Основные понятия и определения

Автоматической системой регулирования (АСР)называется совокупность объекта регулирования и регулятора, взаимодействующих между собой (В.Л.Петров).

Технологическая установка, в которой необходимо осуществить регулирование того или иного параметра, называется объектом регулирования.

Регулирование автоматическое - разновидность автоматического управления: автоматическое поддержание постоянства или изменение по требуемому закону некоторой физической величины, характеризующей управляемый процесс (БЭС).

Регулятор автоматический – устройство (или комплекс устройств) в системе автоматического регулирования, которое вырабатывает воздействие на объект в соответствии с требуемым законом регулирования (БЭС, 2000 г).

Рис. 1 Структурная схема АСР

y_т – текущее значение регулируемой величины;

u_з – заданное значение регулируемой величины;

z_в – возмущающее воздействие;

x_р – регулирующее воздействие; x_р=y_т-u_з

Для объектов управления (регулирования) различают величины входные x_р, z_в и выходные y_т. Под входными величинами объектов химической технологии понимают изменение расхода вещества, его состава, количество подаваемого тепла и т.п.

К выходным величинам относятся температура вещества, его уровень в аппарате, давление, концентрация, влажность и др.

Состояние объекта в каждый момент времени определяется значениями выходных величин y_т. Для нормального функционирования объекта они должны поддерживаться на определенном заранее заданном значении u_з или изменяться по определенной программе.

Во время работы выходные величины отклоняются от заданных значений под действием возмущений z_в и появляется рассогласование между текущимиy_т и заданными u_з значениями выходных величин объекта.

Если при наличии возмущений z_вобъект самостоятельно обеспечивает нормальное функционирование, т.е. самостоятельно устраняет возникающие рассогласования (y_т-u_з), то он не нуждается в управлении. Если же объект не обеспечивает выполнение условий нормальной работы, то для нейтрализации влияния возмущений на него налагают управляющее воздействие x_р, изменяя с помощью исполнительного устройства материальные или тепловые потоки объекта. Таким образом, в процессе управления на объект наносятся воздействия которые компенсируют возмущения и обеспечивают поддержание нормального режима его работы.

Рис. 2 Одноконтурная АСР

В общем случае в состав простейшей АСР должны входить следующие элементы:

- объект регулирования (ОР), характеризующийся регулируемой величиной y_т;

- измерительное устройство (ИУ), измеряющее регулируемую величину и преобразующее ее в форму, удобную для дистанционной передачи;

- задающее устройство (ЗУ), из которого поступает сигнал u_з, определяющий заданное значение или закон изменения регулируемой величины;

- суммирующее устройство (СУ), в котором действительное значение регулируемой величины y_т сравнивается с заданным значением и выявляется отклонение =y_т –u_з;

- регулирующее устройство (РУ), вырабатывающее при поступлении на его вход отклонения регулирующее воздействие, которое необходимо подать на объект регулирования, чтобы устранить имеющееся отклонение регулируемой величины y_т от заданного значения u_з;

- исполнительный механизм (ИМ) – устройство, непосредственно осуществляющее механическое перемещение (или поворот) регулирующего органа объекта управления (БЭС);

- регулирующий орган (РО), служащий для изменения притока вещества или энергии в объект регулирования, осуществляя тем самым регулирующее воздействие на объект;

- линия связи, через которые сигналы передаются от элемента к элементу в автоматической системе.

Из состава элементов АСР следует, что для автоматической системы характерно наличие замкнутого контура регулирования «объект регулирования – измерительное устройство – суммирующее устройство – регулирующее устройство – исполнительный механизм – регулирующий орган – объект регулирования».

На структурной схеме (рис.2) элементы автоматической системы изображены прямоугольниками, в которые вписаны условные обозначения элементов. Суммирующее устройство СУ принять изображать в виде круга, разделенного на секторы, в которые входят суммирующиеся сигналы или из которых выходят результирующие воздействия. Секторы, в которые отрицательные воздействия, зачерняют.

Обратная связь в АСР

В замкнутом контуре регулирования (рис. 1) сигнал с выхода объекта поступает на вход регулятора, а выхода регулятора он снова подается на вход объекта связи. Такое соединение двух элементов АСР называется соединением по принципу обратной связи. Выходной сигнал регулятора (регулирующее воздействие) должен компенсировать влияние возмущающего воздействия, т.е. должен действовать на объект в обратном направлении (со знаком «минус») по сравнению с возмущающем воздействием. Такой вид обратной связи, когда сигнал с выхода объекта возвращается регулятором на его вход обратной связи, когда сигнал с выхода объекта возвращается регулятором на его вход с обратным (по отношению к возмущающему воздействию) знаком, называется отрицательной обратной связью.

Подключение регулятора к объекту по принципу отрицательной обратной связи придает АСР ценное свойство: регулятор воздействует на объект таким образом, чтобы устранить погрешность регулирования независимо от того, каким возмущающими воздействиями она вызвана.

Рассмотрим действие обратной связи в АСР уровня в емкости.

Поплавок 1 перемещается вместе с уровнем,

а клапан 4 изменяет расход жидкости на притоке.

Поплавок связан с клапаном через поворотный

рычаг 2 и прикрепленный к нему шток 3.

Пусть первоначально расходы на притоке и потребление одинаковы, а уровень равен заданному. Если возникает случайное возмущение, например, потребление уменьшиться, то уровень начнет расти. Если бы обратной связи не существовало, т.е. поплавок не был связан с клапаном, то рост уровня продолжался бы все время, пока потребление из емкости было 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 т.к. 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.

Если в рассмотренном примере изменить конструкцию клапана таким образом, чтобы при движении штока вверх он открывался, а при движении вниз – закрывался, то обратная связь станет положительной. Положительная обратная связь приводит к неустойчивой работе системы, т.е. она противоречит основному назначению АСР – уменьшению рассогласования.