Элементы сравнения могут иметь различные схемы, определяемые природой сравниваемых сигналов. Например, при сравнении электрических сигналов используются такие элементы, как резисторы, конденсаторы и другие элементы, а при сравнении механических величин – рычажные устройства. Заметим, что сигнал рассогласования характеризуется не только величиной, но и знаком.

В большинстве регуляторов сигнал рассогласования обладает небольшой мощностью, и поэтому его усиливают до значения, позволяющего управлять или приводить в действие исполнительный механизм.

Усиление сигнала, осуществляемое в усилительных элементах, достигается изменением потока вспомогательной энергии, поступающей от усилителя к исполнительному механизму в соответствии со знаком и значением рассогласования.

Элементы автоматических устройств, использующие информацию о сигнале рассогласования (исполнительные элементы), предназначены для оказания регулирующего воздействия на объект регулирования с целью уменьшить рассогласования между текущими и заданными значениями регулируемой величины. В одних случаях это приводит к изменению потока энергии или топлива к регулируемому объекту (печи), в других – к изменению потока жидкости (закалочные баки), пара, воздуха, газа и т. п. Исполнительные элементы состоят из исполнительных механизмов и регулирующих органов.

Для улучшения характера переходных процессов системы автоматического регулирования и повышения качества регулирования в систему регулирования могут вводиться стабилизирующие элементы (дополнительная обратная связь). Введение этих элементов обусловлено тем, что регулируемая величина обычно не сразу достигает заданного значения, и, если не принимать специальных мер, регулирование затягивается, сопровождаясь колебаниями регулируемой величины относительно заданного значения. В отличие от главной обратной связи, которая связывает регулируемую величину с задающим устройством, дополнительные обратные связи передают воздействия с выхода какого-либо звена системы автоматического регулирования на вход любого предыдущего звена. Сигнал дополнительной обратной связи, подаваемый на вход, может либо складываться с входным сигналом (положительная дополнительная обратная связь), либо вычитаться из входного сигнала (отрицательная дополнительная обратная связь). В системах автоматического регулирования чаще всего используют отрицательную дополнительную связь.

В зависимости от характера воздействия дополнительная обратная связь подразделяется на жесткую и гибкую. Жесткая дополнительная обратная связь характеризуется передачей по ней на вход части полной выходной величины на протяжении всего времени регулирования.

Гибкая (упругая) дополнительная обратная связь (изодром) характеризуется передачей по ней на вход первой или второй производной от измерения выходной величины по времени. У гибкой дополнительной обратной связи сигнал на выходе существует только тогда, когда сигнал изменяется во времени. Таким образом, гибкая дополнительная обратная связь позволяет осуществлять регулирование входной величины по скорости и ускорению и тем самым значительно ускоряет процесс регулирования и улучшает его качество. Гибкая обратная связь начинает действовать только при изменении выходной величины, и ее действие прекращается после возвращения системы к установившемуся состоянию. В связи с этим иногда ее называют «исчезающей» обратной связью.

Системы автоматического регулирования могут основываться на трех принципах: регулирования по отклонению, регулирования по возмущению и комбинированном принципе регулирования, когда совмещаются принципы регулирования по отклонению и возмущению.

Принцип регулирования по отклонению заключается в том, что процесс регулирования осуществляется по значению регулируемой величины, которое сравнивается с заданным ее значением. При наличии сигнала рассогласования регулятор воздействует на объект, чтобы привести к равновесию регулируемую и заданные величины.

Принцип регулирования по возмущению состоит в том, что из нескольких возмущений, воздействующих на объект, выбирается одно и определяется его влияние на регулируемую величину. Возмущение воздействует с помощью управляющего устройства на регулирующий орган объекта управления. В системах регулирования по возмущению вместо измерения рассогласования в измерительном элементе регулятора измеряется возмущение. Недостатком подобной системы является то, что она компенсирует влияние только одного основного возмущения и не может предотвратить влияние на регулируемую величину других возмущающих воздействий, чаще всего неконтролируемых.

Комбинированные системы сочетают в себе оба рассмотренных принципа.

Системы автоматического регулирования классифицируются по разным признакам.

По виду применяемой энергии – электрические, пневматические, гидравлические и механические.

По виду структуры – обыкновенные и самонастраивающиеся.

По виду функциональной связи между входными и выходными величинами элементов, входящих в системы автоматического регулирования, последние делят на системы непрерывного и прерывистого действия. В системах непрерывного действия непрерывному изменению входных величин всех элементов соответствует непрерывное изменение выходных величин этих элементов.

Системы автоматического регулирования относятся к системам прерывистого (дискретного) действия, если непрерывному изменению входной величины хотя бы одного элемента, входящего в состав системы, соответствует прерывистое изменение выходной величины этого элемента.

2. Обыкновенные системы регулирования

Обыкновенными системами являются стабилизирующие, программные и следящие системы автоматического регулирования.

Стабилизирующие автоматические системы предназначены для поддержания постоянного значения регулируемой величины в некоторых пределах с заданной точностью. Такие системы широко используются для стабилизации температуры в рабочем пространстве плавильных и термических печей, уровня жидкости в закалочном баке, разрежения в вакуумных печах и т. д.

Примером может служить автоматическая система стабилизации температуры в термостате (рис. 120), в котором тепловая энергия поступает от нагревательного элемента НЭ. Чувствительным элементом в схеме является контактный термометр КТ. При повышении температуры выше заданного значения возбуждается реле К, и его размыкающий контакт, включенный в цепь нагревательного элемента, размыкается. При понижении температуры реле К обесточивается, и нагревательный элемент включается.

Любая система регулирования характеризуется зависимостью между регулируемой величиной и внешним воздействием на объект регулирования. По виду таких зависимостей, называемых регулировочными характеристиками, различают стабилизирующие системы статического и астатического регулирования.

Рассмотрим две схемы регулирования уровня воды в напорном баке (рис. 121).

В первой схеме (рис. 121, а) поплавок 1 механически связан с задвижкой 2 (регулирующим органом). При увеличении расхода воды из бака уровень воды понижается, и опускающийся поплавок изменяет положение задвижки, увеличивая пропускное сечение питающей трубы и, как следствие этого, количество поступающей в бак воды. Это приведет к тому, что уровень жидкости начнет повышаться, и поднимающийся поплавок переместит задвижку. Равновесие наступит, когда приток воды будет равен расходу. Чем больше будет расход воды, тем больше будет открыта задвижка. В этой схеме с возрастанием расхода воды значение регулируемой величины R будет уменьшаться.

Такое регулирование, когда после окончания переходного процесса регулируемая величина принимает различные постоянные значения, называют статическим регулированием.

Рис. 120. Схема стабилизации температуры в термостате

Рис. 121. Схемы стабилизирующих регуляторов:

а – статического; б – астатического

Во второй схеме (рис. 121, б) поплавок 1 механически связан с ползуном реостата 4, управляющего двигателем постоянного тока 3. При смещении ползуна реостата вверх или вниз от среднего значения двигатель перемещает задвижку 2 до тех пор, пока не восстановится заданный уровень воды Н в баке, т. е. пока напряжение, подаваемое на двигатель, не станет равным нулю.

Следовательно, под астатическим регулированием понимается такое регулирование, которое поддерживает постоянное значение регулируемой величины при различных внешних возмущениях.

Программная система автоматического регулирования практически представляет собой стабилизирующую систему, в которой непрерывно изменяется задающее воздействие. Для получения определенной программы в таких системах предусмотрено специальное устройство, изменяющее заданное значение регулируемой величины в определенном направлении. В качестве примера таких систем можно назвать систему программного регулирования температуры в термических печах при ступенчатом отжиге и т. п.

Следящие автоматические системы регулирования предназначены для изменения регулируемой величины по закону заранее неизвестной функции времени. В таких системах применяется следующая терминология: вместо термина «регулирование» используется термин «слежение», входная величина – ведущая величина, выходная величина – ведомая величина.

В литейных и термических цехах следящие системы автоматического регулирования встречаются наиболее часто при регулировании соотношения расхода газа и воздуха в топливных печах. В таких системах при изменении расхода газа (ведущая величина) необходимо пропорционально изменять расход воздуха (ведомая величина), чтобы отношение газ-воздух сохранялось постоянным. Такая система обеспечивает экономичность сжигания топлива и позволяет получить в рабочем пространстве печи атмосферу заданного состава.

3. Самонастраивающиеся системы регулирования

К группе самонастраивающихся систем относятся системы экстремального регулирования, системы с самонастройкой параметров и самонастройкой структуры.

Задачей экстремального регулирования является, поддержание одного или нескольких показателей процесса на наиболее высоком или наиболее низком уровне при непрерывном изменении различных возмущающих воздействий, влияющих на условия работы системы. Таким образом, задача экстремального регулирования возникает, когда характеристика установившегося состояния объекта регулирования имеет экстремум, который отвечает наиболее желательному режиму работы системы. Более того, применение экстремального регулирования имеет смысл только в том случае, если внешние и внутренние возмущения вызывают перемещение экстремальной точки.

Следовательно, в системе экстремального регулирования должно быть дополнительное устройство (автоматического поиска экстремума), которое бы непрерывно изменяло установку регулятора с таким расчетом, чтобы поддерживать регулируемую величину или другой показатель на наивысшем или наинизшем уровне в условиях непрерывного изменения возмущающих воздействий.

В экстремальной системе (рис. 122) имеются два замкнутых контура: один состоит из главной обратной связи, с помощью которой процесс регулирования осуществляется обычным способом; второй обеспечивает самонастройку системы, т. е. автоматический поиск оптимальной точки.

Примером такой системы является реализация задачи минимизации расхода топлива в двигателях самолета при полете на большие расстояния. Здесь минимум определяется в зависимости от расхода топлива на единицу пути и от скорости полета, причем положение этого минимума зависит от массы самолета, высоты полета, направления и скорости ветра и др.

Рис. 122. Схема системы экстремального регулирования

В литейных и термических цехах эти системы пока не нашли широкого применения. В частности, их начинают использовать для регулирования процесса горения топлива в печах.

В системах с самонастройкой параметров при изменениях возмущающих воздействий или характеристик отдельных элементов автоматически корректируются те или иные параметры регулятора, например изменяются коэффициенты усиления, вводятся производная и интеграл в закон регулирования и т. п. В состав таких систем, как правило, входит вычислительное устройство, определяющее отклонение того или иного показателя работы системы от его оптимального значения, и настраивающее устройство, воздействующее на настройку параметров системы.

В качестве вычислительных устройств используют как аналоговые, так и цифровые ЭВМ.

Системы с самонастройкой структуры называют также самоорганизующимися системами. Они изменяют структурную схему основного управляющего устройства. Поэтому самонастраивающиеся системы этого вида относят к системам с переменной структурой.

Осуществляя автоматический поиск в соответствии с заданным критерием работы, система, самостоятельно используя вычислительные и логические устройства, выбирает из ряда заранее подготовленных структур наилучшую, оптимально отвечающую заданным условиям работы. Возможность изменения структуры расширяет область применения данных систем. Рассмотренный принцип используется в системах управления работами.