1.3 Принципи регулювання

Перший промисловий регулятор був винайдений в 1765 р. І. Ползуновим для створеної їм парової машини. Принципова схема регулятора приведена на рис. 1.3.

Завданням регулювання є підтримка в паровому котлі постійного рівня. Регулятором є поплавець 1, зв'язаний системою важелів з регулюючою заслінкою 2. При збільшенні рівня поплавець піднімається вгору, внаслідок чого заслінка опускається, перекриваючи трубопровід і зменшуючи подачу води в казан. При зменшенні рівня поплавець опускається, що приводить до збільшення подачі води і, отже, до підвищення рівня.

Практично одночасно с И. Ползуновим в 1784 р. Джеймс Уатт сконструював відцентровий регулятор числа обертів валу парової машини (рис. 1.4.)

При зміні числа оборотів валу важелі1 під дією відцентрової сили змінюють своє положення, що приводить до переміщення регулюючого органу 2 і зміні подачі пари. Це у свою чергу викликає зміну числа оборотів валу, але в напрямі, протилежному початковому.

Порівняльний аналіз розглянутих регуляторів показує, що обидва вони побудовані за єдиним принципом, який наочно виявляється на структурній схемі, представленій на рис. 1.5

У даних прикладах основними елементами системи автоматичного регулювання є: об'єкт – паровий котел і парова машина; регулюючий пристрій – поплавець і відцентрова муфта з регулюючими заслінками, відповідно, в регуляторах Ползунова і Уатта.

Вихідні координати, вони ж і регульовані змінні – рівень і число оборотів ; регулюючі змінні – подача води в паровий котел – і витрата пари в парову машину – що збурюють дії – тиск пари в котлі, витрата палива, його теплотворна здатність в першому випадку і в другому – навантаження на валу парової машини, тиск пари в трубопроводі.

Принцип, по якому побудовані регулятори Ползунова і Уатта, полягає в тому, що регулятор змінює регулюючу дія при відхиленні регульованої змінної від заданого значення незалежно від причин, що викликали це відхилення. Таким чином, залежно від значення вихідного сигналу об'єкту регулятор змінює його вхідний сигнал. Для реалізації алгоритму регулювання в конструкцію системи вводиться зв'язок, що отримав назву зворотного зв'язку, тому що по ньому відбувається передача сигналу з виходу об'єкту на його вхід по напряму, зворотному напряму передачі основної дії на об'єкт. Об'єкт і регулятор утворюють замкнуту систему, звану автоматичною системою регулювання (АСР). Якщо сигнал зворотного зв'язку додається до основного сигналу, то зв'язок називається додатним, якщо віднімається – від’ємним. У автоматичних системах управління зв'язок завжди від’ємний. Схеми із зворотним зв'язком здійснюють управління по відхиленню (рис. 1.6) показника процесу – вихідної координати від заданого значення ; – називається відхиленням або помилкою управління.

Розглянута система управління із зворотним зв'язком відноситься до класу систем автоматичного регулювання за відхиленням. Таким чином, автоматичною системою регулювання за відхиленням називають систему, в якій вимірюється відхилення регульованої величини від заданого значення і залежно від зміряного відхилення подається така дія на регулюючий орган, яка зменшує величину відхилення так, що при .

Окрім регулювання за відхиленням можливий інший спосіб регулювання – це регулювання за збуренням або компенсація збурень. В цьому випадку регулююча дія виробляється регулятором залежно від величини збурення. Системи регулювання за збуренням є розімкненими системами, оскільки в них відсутній зворотний зв'язок (рис. 1.7). Ідея цього способу полягає в тому, що, якщо ми зможемо компенсувати всі збурення в системі, то регульована величина не відхилятиметься від заданого значення. Слід відмітити, що компенсація досягається тільки по вимірюваних збуреннях.

Даний принцип регулювання вперше був запропонований в 1830 р. французьким інженером Ж. Понселе при розробці теорії відцентрових регуляторів ходу машин по навантаженню на валу машини, що є одним з основних збурень в об'єкті, але реалізувати свою теорію на практиці йому не вдалося, оскільки динамічні властивості машини не допускали безпосереднього використання принципу компенсації. У 1940 р. був запропонований принцип інваріантності – досягнення незалежності керованої координати від збурень, практична реалізація якого була отримана тільки в 50-і роки. Недолік систем, побудованих за принципом компенсації збурень, очевидний. Компенсувати всі можливі збурення в об'єкті вдається украй рідко, а наявність таких збурень, як коливання стану атмосфери, старіння каталізатора, відкладення солей в апараті, тобто довільна зміна властивостей об'єкту, взагалі не підлягає компенсації. Наприклад, небезпека використання принципу Понселе при регулюванні рівня рідини в ємкості, коли притока рідини співвідноситься з її витратою, полягає в тому, що унаслідок зміни витратних характеристик вентилів на притоці і витраті, випаровування рідини, її дренажу і тому подібне, ємкість може переповнитися, або спустіти.

Регулювання по відхиленню позбавлене цього недоліку, тут компенсація відхилення регульованої координати від заданої відбувається незалежно від того, якими причинами викликано це відхилення, але виконати одночасно умови точності і швидкодії важко. Часто підвищення точності і швидкодії системи приводить до її непрацездатності.

Найбільш ефективними системами регулювання є комбіновані AСP, що поєднують обидва дані принципи (рис. 1.8).

У цих системах найбільш сильні збурення компенсуються спеціальним регулятором, а контур регулювання по зворотному зв'язку усуває відхилення регульованої координати, викликані іншими збуреннями.

Таким чином, в основі побудови системи автоматичного регулювання лежать загальні фундаментальні принципи регулювання, що визначають, яким чином здійснюється підтримка регульованої величини на заданому рівні відповідно до причин, що викликають її відхилення від цього рівня. В даний час відомо і використовують два фундаментальні принципи регулювання: принцип регулювання за відхиленнямі принцип регулювання зазбуренням.