1.2.3. Основні види автоматичного керування

На першому етапі розвитку техніки керування використався практично лише один вид автоматичного керування – підтримка заданого постійного значення регульованої величини. Довгий час під системами автоматичного керування розумівся саме цей вид. Згодом число видів збільшувалося, і цілком імовірно, що шість основних їхніх видів не вичерпують не тільки можливі види в майбутньому, але й існуючі сьогодні.

Стабілізація (Stabilus – стійкий). Системи підтримки сталості керованої величини називають також системами стабілізації. Бажаний закон у них має вигляд х₀ (t) = const.

Приклад системи автоматичної стабілізації напруги генератора постійного струму був розглянутий у п. 1.2 рис. 1.5. Якщо в цій схемі вилучити ланцюжок ДН — еталонна батарея — В — Д, то одержимо систему стабілізації, що діє по розімкнутому контурі. У ряді установок місцевого значення, де не потрібно високої точності стабілізації, такі розімкнуті схеми використовують й у наші дні.

Відома важлива особливість систем регулювання по відхиленню: якщо в них використати регулятори, що складаються тільки з елементів, що здійснюють звичайні аналітичні перетворення, тобто які характеризуються аналітичними статичними характеристиками, то регулювання по відхиленню може зменшити, але не усунути помилку.

Розглянемо схему з найпростішими лінійними перетворювальними ланками. Рівняння статики для такої схеми див. рис. 1.4г, 1.5 будуть

x=k₀u – k_zz; u= k_p = k_p(x₀-x), (1.4)

де k₀, k_р й k_z – постійні коефіцієнти, називані відповідно коефіцієнтами передачі об'єкта, регулятора й навантаження.

З (1.4) одержуємо значення регульованої величини х, яке залежить від навантаження z, зменшуючись із її ростом.

Регулювання, у якому стала помилка при постійному заданому значенні х_а залежить від навантаження, називають статичним. Стала статична помилка

. (1.5)

Вираження це громіздко, і для оцінки ступеня залежності статичної помилки від навантаження переходять до рівнянь, що зв'язують відносні безрозмірні відхилення , , де абсолютні значення й віднесені, до базових значень, що відповідають номінальному навантаженню z_ном рис. 1.5. Взагалі статизм δ дорівнює відносній крутості регулювальної характеристики х = F (z) [або ], тобто

. (1.6)

Якщо характеристика прямолінійна, то

. (1.7)

Статичний регулятор підтримує постійне значення регульованої величини з помилкою. Статизм – це величина відносної статичної помилки при зміні навантаження від холостого ходу до номінальної. У деяких системах статична помилка небажана. Тоді переходять до регулювання, у якому вона в силу структури системи дорівнює нулю, тобто до астатичному регулювання. Регулювальна характеристика ідеального астатичного регулювання являє собою пряму лінію, паралельну осі навантаження рис. 1.6.

Рис. 1.6 - Регулювальна характеристика ідеального астатичного регулювання

Внаслідок неточності регулятора регульована величина може приймати будь-яке значення усередині деякої зони (на рисунку заштрихована), але помилка при цьому не буде залежати від навантаження. Для одержання астатичного регулювання в регуляторі потрібно усунути тверду залежність між положенням регулювального органа й значенням регульованої величини, для того щоб те саме значення регульованої величини можна було підтримувати при будь-якому навантаженні. Для цього в ланцюг регулювання вводять астатичну ланку. Прикладом астатичної ланки є інтегруюча ланка, описувана рівнянням

або (1.8)

Регулятор при цьому буде перебувати в рівновазі тільки в тому випадку, коли , тобто коли регульована величина буде дорівнювати заданому значенню. Електричний двигун являє приклад астатичної ланки. У схемі, зображеної на рис. 1.5, двигун, що переміщає повзунок реостата — астатична ланка, а зображена система є система астатичного регулювання.

Програмне керування. При програмному керуванні алгоритм функціонування заданий і можна побудувати спеціальний пристрій — датчик програми, що виробляє х₀ (t). Таким чином, всі схеми, показані на рис. 1.4, у яких х₀ (t) є задана функція, а ланки 1 являють собою датчики програми, що виробляють цю функцію, ставляться до класу систем програмного керування. Програмне керування можна здійснити по кожному з фундаментальних принципів або за допомогою їхньої комбінації.

У практиці використовують два види систем програмного керування: системи з часовою програмою й системи із просторовою програмою. У системах першого виду датчик програми виробляє безпосередньо функцію х₀(t). Прикладами можуть служити пристрої, в яких рух годинного механізму або двигуна з рівномірним ходом перетвориться за допомогою функціональних перетворювачів (профільованих кулачків, реостатів і т.п.) у рух х₀(t). До таких пристроїв відносять пристрої і програми для зміни температури гартівних печей, заводні іграшки, магнітофони, програвачі й т.д. Системи другого виду використають у програмному керуванні металообробними верстатами. У них рух виконавчого органа (інструмента) здійснюється по заданій у просторі траєкторії, закон же руху по траєкторії в часі мало істотний й у широких межах може бути довільним.

Використаються два способи просторового програмного керування. Перший полягає в тому, що рух по кожній з координатних просторових осей виконується окремим приводом, рух по одній з осей задається довільно (звичайно рівномірним), а інші рухи погоджуються з першим так, щоб інструмент рухався по заданій траєкторії. Прикладом може служити копіювальний палець П, що сковзає по шаблону 3 у системі керування 1 копіювальним верстатом 2 рис. 1.7. Один рух – подача по осі х двигуном Д_х відбувається рівномірно, другий – рух по осі задається профілем кулачка (шаблона 3). При обробці виробу 4 інструмент Ф верстата 2 повторює рух пальця П. Другий спосіб полягає в тому, що задана траєкторія описується за допомогою системи параметричних рівнянь, у яких параметром є час, а потім будується вирішальний пристрій, що задає рух приводам по окремих осях відповідно до цих параметричних рівнянь.

Рис. 1.7 – Приклад програмного керування

Системи програмного керування за своєю структурою також можуть бути статичними й астатичними, однак, оскільки величини х₀ (t) і z у них непостійні, статична помилка не усувається, тому що виникають сталі помилки, що залежать від швидкості й вищих похідних. Для усунення цих складові помилки можна вводити в систему додаткові астатичні ланки (підвищувати порядок астатизму).