Пряме та непряме регулювання, одноконтурні та багатоконтурні, пов’язані та незв’язані системи
В даний час існує безліч систем автоматичного регулювання (САР) або як їх ще називають - системи автоматичного управління (САУ). У цій статті розглянемо деякі способи регулювання та види САУ.
Пряме та непряме регулювання
Як відомо, будь-яка САУ складається з регулятора та об'єкта регулювання. У регуляторі є чутливий елемент, який відстежує зміни регульованої величини від заданого сигналу управління. У свою чергу, чутливий елемент впливає на регулюючий орган, який у свою чергу змінює параметри системи таким чином, щоб значення заданої та регульованої величини стали однаковими. У найпростіших регуляторах вплив чутливого елемента на орган, що регулює, відбувається безпосередньо, тобто вони безпосередньо з'єднані. Відповідно такі САР називають системами прямого регулювання, а регулятори – регуляторами прямої дії, як показано нижче:
У такій системі енергія, необхідна для переміщення засувки, що регулює подачу води в басейн, надходить безпосередньо від поплавця, який буде чутливим елементом.
У САР непрямого регулювання для організації переміщення органу регулювання використовують допоміжні пристрої, що використовують для своєї роботи додаткові джерела енергії. У такій системі чутливий елемент впливатиме на орган управління допоміжного пристрою, який, у свою чергу, переведе регулюючий орган у потрібне положення, як показано нижче:
Тут поплавок (чутливий орган) впливають контактобмотки збудження електродвигуна, що обертає засувку в потрібному напрямку. Такі системи застосовують, коли потужності чутливого елемента не вистачає для керування робочим механізмом або необхідно мати дуже високу чутливість виміру елемента.
Одноконтурні та багатоконтурні САУ
САР сучасні дуже часто, практично завжди, мають паралельні коригувальні пристрої або місцеві зворотні зв'язки, як показано нижче:
САР, у яких регулюванню підлягає лише одна величина, і вони мають лише один головний зворотний зв'язок (один контур регулювання) називають одноконтурними. У таких САУ вплив, прикладений до якоїсь точки системи, може обійти всю систему і повернуться до початкової точки пройшовши тільки одним шляхом обходу:
А САУ, в яких, крім основного контуру є ще місцеві або основні зворотні зв'язки називають багатоконтурними. Назад одноконтурним, у багатоконтурних системах вплив, прикладений до якоїсь точки системи, може обійти систему, і повернуться в точку застосування впливу по кількох контурах системи.
Системи пов'язаного та незв'язаного автоматичного регулювання
Системи, в яких регулюванню підлягає кілька величин (багатомірні САУ), можна поділити на пов'язані та незв'язані.
Системи незв'язаного регулювання
Системи, у яких регулятори, призначені регулювання різних величин, незв'язаних між собою і можуть взаємодіяти через загальний об'єкт регулювання, називають системами незв'язаного регулювання. Поділяють системи незв'язаного регулювання на незалежні та залежні.
У залежних зміна однієї з величин підлягає управлінню тягне за собою зміну іншихвеличин підлягають управлінню. Тому в таких пристроях не можна розглядати різні параметри керування окремо один від одного.
Прикладом такої системи може бути літак з автопілотом, у якого є окремий канал управління кермами. При відхиленні літака від курсу автопілот викликає відхилення керма повороту. Автопілот відхиляє елерони, при цьому відхилення елерона та керма повороту призведе до збільшення лобового опору літака, при цьому відбудеться відхилення керма висоти. Таким чином, не можна розглядати окремо процеси управління курсом, тангажем і бічним креном навіть незважаючи на те, що кожен з них має свій канал управління.
У незалежних системах незв'язаного регулювання все навпаки, кожна з величин, що підлягають регулюванню, не залежатиме від зміни всіх інших. Такі процеси управління можна розглядати окремо один від одного.
Прикладом може бути САУ кутовий швидкості гідротурбіни, де напруга обмотки генератора і швидкості турбіни регулюються незалежно один від одного.
Системи пов'язаного регулювання
У таких системах регулятори різних величин мають зв'язки, які взаємодіють поза об'єктом регулювання.
Наприклад розглянемо електричний автопілот ЕАП, спрощена схема якого показана нижче:
Призначення його – підтримка тангажу, курсу та крену літака на заданому рівні. У цьому прикладі ми розглянемо функції автопілота, що стосуються лише підтримки заданого курсу, тангажу, крену.
Гідронапівкомпас 12 виконує роль чутливого елемента, що відстежує відхилення літака від курсу. Основна його частина – гіроскоп, вісь якого спрямовують уздовж заданого курсу. Коли літак починає відхилятися від курсу, вісьгіроскопа починає впливати на пов'язані за допомогою важеля 11 повзунки реостатних датчиків курсу 7 і повороту 10, зберігаючи при цьому своє положення в просторі. Корпус літака разом з датчиками 7 і 10, у свою чергу, зміщуються щодо осі гороскопа, відповідно виникає різниця між положенням гіроскопа та корпусом літака, що уловлюється датчиками 7 та 10.
Елементом, який сприйматиме відхилення літака від заданого в просторі курсу (горизонтальної або вертикальної площини) буде гировертикаль 14. Основна його частина така сама, як і в попередньому випадку - гіроскоп, вісь якого перпендикулярна горизонтальній площині. Якщо літак починає відхилятися від горизонту, поздовжньої осі почнеться зміщення повзунка датчика тангажу 13, а при його відхиленні в горизонтальній площині відбудеться зміщення датчиків крену 15-17.
Органами, які здійснюють управління літаком, є керма управління 1, висоти 18 і елерони 19, а виконуючими елементами, які ведуть управління положенням кермів, є кермові машинки курсу, тангажу та крену. Принцип роботи всіх трьох каналів автопілота є повністю аналогічним. З потенціометричним датчиком пов'язана кермова машинка кожного з кермів. Основний потенціометричний датчик (див. схему нижче):
З'єднується з відповідним датчиком зворотного зв'язку за бруківкою. До підсилювача 6 підключають діагональ моста. При відхиленні літака від курсу польоту повзунок основного датчика зміститься і діагоналі мосту з'явиться сигнал. В результаті появи сигналу відбудеться спрацьовування електромагнітного реле на виході підсилювача 6, що призведе до замикання ланцюга муфти електромагнітної 4. Барабан 3 машинки, в ланцюзі якої спрацювало реле, зчепиться з валом, що безперервно обертаєтьсяелектродвигуна 5. Барабан почне обертатися і тим самим намотувати або розмотувати (залежить від напрямку обертання) троси, що обертають відповідне кермо літака, і при цьому переміщатимуть щітку потенціометра зворотного зв'язку (ОС) 2. Коли величина зміщення ОС 2 стане рівною величині зміщення щітки потенціометричного датчика, сигнал у діагоналі даного моста стане рівним нулю і рух керма припиниться. При цьому кермо літака повернеться в положення, необхідне зміщення літака на заданий курс. У міру усунення неузгодженості щітка основного датчика повернеться назад у середнє положення.
Вихідні каскади автопілота ідентичні, починаючи від підсилювачів 6 і закінчуючи кермовими машинами. А ось вхідні трохи різні. Повзунок датчика курсу зв'язується з гірополукомпасом не жорстко, а за допомогою демпфера 9 і пружини 8. Через це отримуємо не тільки переміщення, пропорційне зсуву від курсу, але й додаткове, пропорційне першої похідної відхилення за часом. Крім того, у всіх каналах, крім основних датчиків, передбачаються і додаткові, які реалізують пов'язане управління по всіх трьох осях, тобто координують дії всіх трьох кермів. Таке підключення забезпечує складення алгебри сигналів основних і додаткових датчиків на вході підсилювача 6.
Якщо розглядати канал управління курсом, то допоміжними датчиками будуть служити датчики крену та розвороту, які керуються льотчиком вручну. У каналі крену – додаткові датчики повороту та розвороту.
Вплив каналів управління один на одного призводить до того, що при русі літака зміна його крену викликає зміну тангажу і навпаки.
Потрібно пам'ятати, що автономною називають САР, якщо вона має такі зв'язки між своїмирегуляторами, що з зміні однієї з величин інші залишаться незмінними, тобто зміна однієї величини не тягне у себе автоматичне зміна інших.