Системи автоматики системи автоматичного контролю, управління і регулювання
Система автоматичного контролю (рис. 1) призначена для контролю за ходом будь-якого процесу. Така система включає датчик В, підсилювач А, який бере сигнал від датчика і передає його після посилення на спеціальний елемент Р, який реалізує заключну операцію автоматичного контролю - уявлення контрольованої величини в формі, зручній для спостереження або реєстрації.
В окремому випадку в якості виконавчого елемента Р можуть служити сигнальні лампи або звукові сигналізатори. Систему з такими елементами називають системою сигналізації.
Мал. 1. Система автоматичного контролю
У систему автоматичного контролю крім зазначених на рис. 1, а можуть входити і інші елементи - стабілізатори, джерела живлення, розподільники (при наявності декількох точок контролю або декількох датчиків в одному виконавчому елементі Р) і т. Д.
Незалежно від кількості елементів системи автоматичного контролю є роз'єднаними і сигнал в них проходить тільки в одному напрямку - від об'єкта контролю Е до виконавчого елементу Р.
Система автоматичного управління призначена для часткового або повного (без участі людини) управління об'єктом або технологічним процесом. Ці системи широко застосовують для автоматизації, наприклад, процесів пуску, регулювання частоти обертання і реверсування електродвигунів в електроприводах всіх призначень.
Необхідно вказати на таку важливу різновид систем автоматичного управління, як системи автоматичного захисту. які не допускають аварійного або граничного режиму, перериваючи в критичний момент контрольований процес.
Система автоматичного регулювання підтримує регульовану величину в заданих межах. Це найбільш складні системи автоматики, які об'єднують функції автоматичного контролю і управління. Складова частина цих систем - регулятор.
Якщо системи виконують тільки одну задачу - підтримують постійної регульовану величину, їх називають системами автоматичної стабілізації. Однак існують такі процеси, для яких необхідно змінювати в часі регульовану величину за певним законом, забезпечуючи її стабільність на окремих ділянках. В цьому випадку автоматичну систему називають системою програмного регулювання.
Для забезпечення сталості регульованої величини можна використовувати один з принципів регулювання - по відхиленню, обуренню або комбінований, які будуть розглянуті стосовно до систем регулювання напруги генераторів постійного струму.
При регулюванні щодо відхилення (рис. 2 і 3) елемент порівняння UN порівнює фактичне напруга U ф з заданим Uз, визначеним задає елементом EN. Після порівняння на виході елемента UN з'являється сигнал # 916; U = Uз - U ф, пропорційний відхиленню напруги від заданого. Цей сигнал підсилюється підсилювачем А і надходить на робочий орган L. Зміна напруги на робочому органі L, яким є обмотка збудження генератора G, призводить до зміни фактичного напруги генератора, що скасовує його відхилення від заданого.
Підсилювач А, що не змінює принципу дії системи, необхідний для її практичної реалізації, коли потужність сигналу, що надходить від елемента порівняння UN, недостатня для впливу на робочий орган L.
Мал. 2. Система автоматичного регулювання
Мал. 3. Автоматичне регулювання по відхиленню
Поряд з заданою дією на систему можуть впливати різні дестабілізуючі фактори Q, які викликають відхилення регульованої величини від заданої. Впливу дестабілізуючих факторів, один з яких умовно позначений на малюнку буквою Q, можуть проявлятися в різних місцях системи і, як прийнято говорити, діяти на різних каналах. Так, наприклад, зміна температури навколишнього середовища призводить до зміни опору в ланцюзі обмотки збудження, що в свою чергу впливає на напругу генератора.
Однак де б не виникали впливу Q (з боку споживача - струм навантаження, внаслідок зміни параметрів ланцюга збудження), система регулювання буде реагувати на викликане ними відхилення регульованої величини від заданої.
Поряд з розглянутим принципом регулювання використовують регулювання по обуренню. при якому в системі передбачають спеціальні елементи, що вимірюють впливу Q і впливають на робочий орган.
В системі, що використовує тільки такий принцип регулювання (рис. 4 і 5), фактичне значення регульованої величини до уваги береться. Беруть до уваги лише одне із рівноваги вплив - струм навантаження I н. Відповідно до зміни струму навантаження відбувається зміна магніторушійної сили (мдс) обмотки збудження L2, що є вимірювальним елементом даної системи. Зміна мдс цієї обмотки призводить до відповідної зміни напруги на виводах генератора.
Мал. 4. Автоматичне регулювання по обуренню
Мал. 5. Принципова схема системи автоматики
Система, що здійснює комбіноване регулювання (по відхиленню і обуренню), може бути отримана об'єднанням раніше розглянутих систем в одну (рис. 6)
Мал. 6. Система автоматики комбінованого регулювання
В системі автоматичного регулювання задає елемент був еталон напруги, з яким порівнювалася регульована величина U ф. Значення U p прийнято називати уставкой регулятора. У загальному випадку регульовану величину позначають буквою Y. а її уставку Yo.
Якщо уставку Yo в заданих межах оператор змінює вручну, а регульованою величиною є Y. система працює в режимі стабілізації. Якщо уставка регулятора змінюється довільно в часі, система автоматики, підтримуючи значення # 916; Y = Yo - Y = 0, буде працювати в стежить режимі, т. Е. Стежити за зміною Yo.
І нарешті, якщо уставку Yo змінювати не довільно, а за заздалегідь відомим законом (програмою), система буде працювати в режимі програмного управління. Такі системи називають системами програмного регулювання.
Системи автоматики за принципом дії поділяють на статичні та астатические. У статичних системах регульована величина не має строго постійного значення і зі збільшенням навантаження змінюється на деяку величину, звану помилкою регулювання.
Розглянуті системи (рис. 1 - 6) є прикладами найпростіших статичних систем. Наявність помилки регулювання в них обумовлено тим, що для забезпечення більшого струму збудження необхідно більше відхилення напруги.
Мал. 7. Зовнішні характеристики систем автоматики: а - статичної, б - астатісческой
Залежність напруги генератора від струму навантаження у вигляді прямої похилої лінії показана на рис. 7, а. Найбільше відносне відхилення напруги від заданого називають статизмом системи по напрузі: # 916; = = (Um a x - Umin) / Um a x, де (Um a x, Umin - напруги генератора на холостому ходу і під навантаженням. Узагальнюючи зроблений висновок для будь-якої статичної системи, можна записати: # 916; = (Y m a x - Y min) / Y m a x, де Y - регульована величина.
Іноді статизм визначають за іншою формулою: # 916; = (Y max - Y min) / Y ср, причому Y ср = 0,5 (Y max + Y min) - среднерегуліруемая величина Y. Статізм називають позитивним, якщо з ростом навантаження значення Y зменшується, і негативним, якщо значення Y збільшується .
У астатичних системах статизм дорівнює нулю і тому залежність регульованої величини від навантаження являє собою лінію, паралельну осі навантаження (рис. 7,6).
Розглянемо, наприклад, астатическую систему автоматики (див. Рис. 8), в якій напруга генератора регулюється зміною опору реостата R. включеного в ланцюг обмотки збудження L.
Мал. 8. Астатична система автоматики
Серводвигун М починає обертатися і переміщати повзунок реостата R щоразу, коли на вході підсилювача А з'являється сигнал # 916; 16; U про відхилення напруги генератора U ср від заданого значення U p. Повзунок реостата переміщується до тих пір, поки сигнал про відхилення не стане рівним нулю. Така система відрізняється від іншої системи тим, що для підтримки нового значення струму збудження не потрібно сигналу на виході підсилювача А. Ця відмінність і дозволяє позбутися від статизму.
У всіх раніше наведених прикладах передбачалося, що вплив на робочий орган вироблялося безперервно протягом всього проміжку часу, поки існує відхилення регульованої величини від заданої. Таке управління називається безперервним. а системи - системами безперервної дії.
Однак існують системи, звані дискретними, в яких вплив на робочий орган здійснюється з перервами, наприклад система регулювання температури підошви праски, в якій регулюючу дію може приймати тільки одне з двох фіксованих значень при безперервному зміні регульованої величини - температури.
У цій системі регулювання температури здійснюється включенням і вимкненням нагрівального елементу R по сигналу датчика температури (дивіться - Базові елементи автоматики). При збільшенні температури понад уставки датчик розмикає свій контакт і відключає нагрівальний елемент. При зниженні температури нижче уставки нагрівальні елементи включаються. Ця система не має стійкого проміжного стану робочого органу, а він займає лише два положення - включено в сторону "більше" або включено в сторону "менше".
Для забезпечення необхідної якості процесу регулювання в системі можуть бути передбачені спеціальні пристрої, які називаються зворотними зв'язками. Ці пристрої відрізняються від інших тим, що сигнал в них має напрямок, зворотне основному керуючому сигналу.
Для прикладу на рис. 8 зображена зворотний зв'язок Е по відхиленню регульованої величини # 916; U. з'єднує вихід підсилювача А зі входом елемента порівняння UN. При позитивного зворотного зв'язку Е на виході елемента порівняння UN виходить сума величин # 916; U і Z, а при негативній - їх різниця.
Мал. 9. Структурна схема системи телемеханіки
Розглянуті системи автоматики припускають безпосередній зв'язок всіх вхідних в них елементів. Якщо елементи системи автоматики розташовані на значній відстані один від одного, для їх з'єднання використовують передавачі, канали зв'язку і приймачі. Такі системи називають телемеханічного.
Телемеханічна система складається з пункту управління, де знаходиться оператор, що керує роботою системи, одного або декількох контрольованих пунктів, на яких розташовані об'єкти контролю A 1 - An, ліній зв'язку L1A - LnA (канали передачі даних), що з'єднують пункт управління Е1М з контрольованими пунктами Е2А - Еn (рис. 9). У телемеханічної системі по лініях зв'язку можна передавати як всі, так і деякі види контрольної і керуючої інформації.
При передачі інформації лише про параметри ОК телемеханічного систему називають з Истеми телевимірювання. в якій сигнали з виходів датчиків (вимірювальних перетворювачів, встановлених на ОК) передаються на пункт управління Е1М і відтворюються у вигляді показань стрілочних або цифрових вимірювальних приладів. Інформація може передаватися як безперервно, так і періодично, в тому числі і по команді оператора.
Якщо на пункт управління передається тільки інформація про стан, в якому знаходиться той чи інший об'єкт контролю ( "включений", "вимкнений", "справний", "несправний"), таку систему називають системою телесигналізації.
Телесигналізація, як і телевимірювання, видає оператору вихідні дані для прийняття рішення по управлінню ОК або служить для вироблення керуючих впливів в системах телекерування і телерегуліровкі. Основна відмінність цих систем від попередніх полягає в тому, що в першій з них використовуються дискретні сигнали типу "включити", "вимкнути", а в другій - безперервні, подібно до звичайних систем регулювання.