2.2 Функциональные схемы аср

Функциональные схемы АСР (от лат. functio – исполнение, деятельность, внешнее проявление свойств какого-либо объекта или элемента в данной системе отношений) отражают взаимодействие устройств, узлов и элементов автоматики в процессе их работы. Графически (рис. 10) отдельные элементы (части) АСР изображают в виде прямоугольников, образующих последовательную замкнутую цепь: выходная величина предшествующего элемента служит входной величиной последующего. Все элементы АСР обладают однонаправленностью действия: они воздействуют лишь на последующий элемент системы. Например: температура объекта регулирования определяет сопротивление термометра, измеряющего эту температуру, но изменение его сопротивления не влияет на температуру объекта. Регулируемая величина воздействует на измерительное устройство регулятора прямого действия, а измерительное устройство на регулируемую величину практически не влияет. Свойство направленности действия называют свойством детектирования. Оно заключается в том, что сигнал проходит только от входа к выходу элемента, т. е. каждый последующий элемент не оказывает влияния на предыдущий.

Внутреннее содержание каждого элемента на функциональной схеме не конкретизируется, а функциональное назначение обозначается условными буквенными символами.

Под функцией каждого элемента понимают как основные функции автоматического регулирующего устройства – получение информации, ее переработка, формирование закона регулирования и т. п., так и более узкие – передача сигналов, их сравнение, преобразование формы представления информации и др.

Участок цепи от точки приложения входного воздействия до точки съема выходного сигнала (в направлении распространения сигнала) называется прямой (основной) цепью.

Пути передачи воздействий между элементами АСР изображают линиями со стрелками в направлении передачи воздействий.

Рисунок 10 – Пример функциональной схемы АСР:

У – усилитель; х – выходные величины; g(t)– задающее воздействие; ЗУ – задающее устройство; СУ – суммирующее устройство; ИУ – измерительное устройство; ИМ – исполнительный механизм; РО – регулирующий орган; ОР – объект регулирования; F – возмущения, ε – управляющее (регулирующее) воздействие

Простейшую составную часть АСР или автоматического устройства, отображающую путь и направление передачи воздействия между элементами автоматической системы, называют связью системы.

Связь АСР, образуемая основной цепью воздействия между элементами (участками) этой цепи, называется основной связью.

Любая АСР должна иметь, по крайней мере, одну обратную связь, которая служит для сравнения действительного закона изменения регулируемого параметра управления технологического процесса с заданным законом. Такого рода обратная связь, направленная с выхода системы к ее входу, называется главной обратной связью.

Связь в АСР, образующая путь передачи воздействий в дополнение к основной цепи воздействий или какому-либо участку (параллельный контур, который охватывает один или несколько элементов основной цепи), называется дополнительной (местной) связью.

Дополнительная (местная) связь называется прямой, если проходящий по ней сигнал суммируется с основным сигналом на выходе группы элементов основной цепи, охваченных этой связью.

Дополнительная (местная) связь называется обратной, если проходящий по ней сигнал подается с выхода группы элементов основной цепи, охваченных этой связью, на их вход.

Обратная связь называется положительной, если проходящий по ней сигнал складывается с основным сигналом на входе группы элементов, охваченных этой связью, и отрицательной, если этот сигнал вычитается из основного сигнала.

Поскольку в АСР регулирующее воздействие образуется вследствие отклонения регулируемой величины (выход системы) от ее заданного значения (вход системы), то главная обратная связь всегда является отрицательной.

Обратная связь называется жесткой, если передаваемое этой связью воздействие зависит только от выходной величины (регулируемого параметра) и не зависит от времени.

Обратная связь называется гибкой, если она действует только во время переходного процесса.

Сущность действия обратной связи рассмотрим на конкретных примерах.

На рис. 11 показан регулятор с включенной жесткой обратной связью. Он отличается от регулятора, изображенного на рис. 8, тем, что на золотник 3 через рычаг 2 передается дополнительно выключающее воздействие от штока 1 поршня цилиндра усилителя. При увеличении числа оборотов чувствительный элемент регулятора переместит золотник вверх, в результате чего масло начнет поступать в верхнюю полость цилиндра. Одновременно шток 1 воздействует на рычаг 2, который, поворачиваясь вокруг точки а, перемещает золотник в сторону, противоположную его первоначальному смещению. Движение поршня прекратится тогда, когда золотник 3 вернется в исходное среднее положение. При этом ход поршня будет пропорционален смещению шарнира в чувствительного элемента (т. е. отклонению регулируемого параметра выходной величины). Таким образом, каждому значению выходной величины будет соответствовать совершенно определенное положение поршня, а, следовательно, и регулирующего органа. Поэтому регуляторы с жесткой обратной связью поддерживают не постоянное значение регулируемого параметра, а изменяющееся в некоторых пределах и зависящее от нагрузки регулируемого объекта.

На рис. 12 показано устройство регулятора с гибкой¹ обратной связью, который отличается от регулятора, приведенного на рис. 14, тем, что на линии обратной связи от поршня силового цилиндра к золотнику установлено изодромное устройство. Оно в данном случае состоит из пружины 4, цилиндра 5, заполненного маслом, полости которого по обе стороны поршня 6 сообщаются через дроссель 7. При движении силового поршня, например, как в предыдущем примере, вниз масло не успевает перетекать через дроссель 7. Поэтому поршень 6, жестко закрепленный на штоке 1 вместе с корпусом цилиндра 5, также начинает перемещаться вниз, воздействуя на рычаг 2, который, поворачиваясь вокруг точки а, перемещает золотник в сторону, противоположную его первоначальному смещению. После того, как золотник 3 вернется в среднее положение, перемещение силового поршня, а, следовательно, и регулирующего органа, прекратится. Но цилиндр 5 под действием растянутой пружины 4 будет по мере перетекания масла через дроссель 7 медленно перемещаться до тех пор, пока рычаг 2 не займет исходного положения, при котором пружина 4 не сжата и не растянута, а золотник 3 перекрывает оба канала. При этом точки б и а рычага займут также исходное положение и, следовательно, в положение равновесия возвращается и точка в, что свидетельствует о возвращении к старому значению регулируемой величины. Таким образом, гибкая обратная связь не вызывает появления остаточного отклонения регулируемой величины.

Описанные выше устройства обратной связи могут быть реализованы пневматическими и электрическими устройствами. Например, если сигнал обратной связи ввести через контур, содержащий сопротивление R и емкость С, то в течение переходных режимов этот сигнал будет наряду с сигналом отклонения воздействовать на последующие элементы системы, однако при неподвижном состоянии регулирующего органа, в каком бы положении он не находился, сигнал обратной связи по мере заряда конденсатора С будет затухать и в установившемся режиме будет всегда равен нулю.

Суммирующие устройства на функциональных схемах изображают в виде окружности, разделенной внутри на четыре равных сектора. Сектор, на который подается величина с обратным (отрицательным) знаком, затемняют, или перед соответствующим входом ставят знак «минус». Рассмотрим пример функциональной схемы АСР, представленной на рис. 10.

На объект регулирования (О.Р.), находящийся под влиянием внешнего возмущающего воздействия F, поступает регулирующее воздействие х_Р, являющееся выходной величиной управляющей части системы, состоящей из задающего устройства ЗУ, суммирующего устройства СУ, усилителя У, измерительного устройства ИУ, исполнительного механизма ИМ. Эти элементы можно назвать регулятором системы (на рис. 10 эта часть системы обведена штриховой линией). Контур замыкается подачей в суммирующее устройство по цепи главной обратной связи регулируемой (выходной) величины х_вых. Задающее воздействие g(t) от задающего устройства (ЗУ) поступает на вход системы. Величина этого задающего воздействия может быть постоянной, когда необходимо поддерживать постоянное значение регулируемой величины х_вых, или же изменяться по заданному закону, когда в технологическом процессе по этому закону должна изменяться и регулируемая величина. Затем регулируемая величина сравнивается в суммирующем устройстве с задающей величиной (зачерненный сектор на рис. 10 в графическом изображении суммирующего устройства означает, что передаваемое по каналу главной обратной связи воздействие подается с обратным знаком). При значении регулируемой величины, равном заданному, на вход усилителя системы сигнал не поступает и система находится в равновесии. При неравенстве этих величин сигнал ошибки (рассогласования), представляющий собой разность между сигналом задающего воздействия и сигналом главной обратной связи ε = g – х_вых, поступает на вход усилителя системы, которая, изменяя положение регулирующего органа РО, реагирует на это отклонение таким образом, чтобы сигнал ошибки сводился к нулю или к достаточно малой величине.