1.3. Примеры систем управления

При обсуждении свойств автоматических устройств очень по­лезно обращаться к реальным примерам, которые достаточно рас­пространены, и по ним можно представить себе поведение техни­ческой системы.

Рассмотрим несколько характерных примеров систем автомати­ческого управления.

Пример 1.1

О дна из самых распространенных систем автоматики - система стабилизации скорости вращения двигателя постоянного тока с не­зависимым возбуждением. Цель ее работы заключается в поддержа­нии заданной скорости вращения двигателя при действии «нагрузки» на валу. Системы подобного типа используют, например, в металло­режущих станках, где независимо от глубины резания металла нужно выдерживать заданную скорость вращения. На рис. 1.3 представлена упрощенная схема реализации такой системы.

Здесь введены следующие обозначения:

U_зад - задающее воздействие на систему (напряжение задания);

ОУ - операционные усилители для согласования электрических

цепей на входе и выходе;

Δ - разница между напряжением задания и напряжением тахогенератора (сигнал рассогласования);

УМ - усилитель мощности для преобразования маломощного сигнала Δ в силовое напряжение (напряжение на якоре двигателя);

Д - электродвигатель;

Ι - ток в цепи электродвигателя;

R , L - сопротивление и индуктивность в якорной цепи;

U_я - напряжение на обмотке якоря электродвигателя;

U_возб - напряжение возбуждения;

ТГ - тахогенератор (маломощный генератор электрического на­пряжения), используется в качестве датчика скорости вращения дви­гателя;

U _ТГ— напряжение тахогенератора;

М_н - момент нагрузки.

В этой системе организована отрицательная обратная связь, при которой

Δ = U_зад-U_ТГ

Если нагрузка М_н возрастает, то падает U_ТГ и, как следствие, возрастает U_я, что позволяет «удержать» обороты двигателя при увеличенной нагрузке на двигатель. Если М_Н уменьшается, проис­ходит обратный процесс, который не дает возможности двигателю слишком увеличить скорость вращения.

При описании этого классического примера введены перемен­ные, которые используются для описания динамических систем: вход - U_зад, выход - U_ТГ, возмущение - М_н, состояние – Ι,U_я, параметры - L, R.

Рассмотрим теперь общеизвестный пример из области бытовой техники - систему стабилизации температуры в холодильнике. В каждом холодильнике применяется достаточно простая система ав­томатического регулирования, цель функционирования которой со­стоит в стабилизации температуры в камере холодильника при изме­нении массы и температуры закладываемых продуктов или при от­крывании дверей. На рис. 1.4 приведена упрощенная схема системы стабилизации температуры.

Здесь U_зад - сигнал, соответствующий заданной температуре; УМ - усилитель мощности с релейной характеристикой, который ис­пользуется в качестве управляющего устройства, он включает или отключает холодильный агрегат (ХА), «прокачивающий» хладоагент через трубки камеры; ДТ - датчик температуры, выходной сигнал U_к которого пропорционален температуре камеры.

Как правило, в холодильнике не применяются операционные усилители; сравнение заданной и действительной температур проис­ходит непосредственно. На схеме это показано соответствующим элементом.

Система работает следующим образом: если открыть камеру и положить некоторую массу теплых продуктов, то сразу повышается температура в камере и возрастает разница Δ между заданной (низ­кой) и повышенной действительной температурами, включается УМ с релейной характеристикой и работает холодильный агрегат. Через некоторое время разница Δ становится меньше порогового значения и реле отключается. Такая система работает только в «одну сторону» - на охлаждение. Ее поведение характеризуют величины: вход - U_зад, выход - напряжение с датчика температуры; состоя­ние - температура внутри камеры, возмущение - количество тепла в закладываемом продукте.