UKŁADY STEROWANIA AUTOMATYCZNEGO

USA

Układ automatyki konwencjonalnej

Najprostszy układ automatyki konwencjonalnej

(regulacji automatycznej) można przedstawić za

pomocą omówionej poprzednio symboliki tak, jak to

pokazano na rys.1.

Rys.

1.

Schemat

ideowy

najprostszego

układu

sterowania

automatycznego

W obiekcie wyróżniamy następujące sygnały

:

•sygnał regulowany

y

lub — jak inaczej będziemy mówić — zmienna regulowana

y,

•sygnał regulujący

x

,

•sygnały zakłócające

z

1

, z

2

.

Sygnał regulowany

y

to ten, który mimo zmiennych z

zewnątrz warunków pracy obiektu, czyli — jak mówimy —

mimo przychodzących sygnałów zakłócających ma być

utrzymywany w wartości stałej lub zmieniać się według

określonej funkcji wyznaczonej sygnałem

s,

zwanym

sygnałem sterującym

.

Porównanie sygnału regulowanego i sygnału

sterującego

dokonuje

się

w

tzw.

węźle

sumacyjnym.

Otrzymana tam różnica

s — y,

czyli

tzw.

sygnał błędu

, który będziemy oznaczać

symbolem

e

(uchyb

regulacji)

,

zostaje

wprowadzona

na

wejście

elementu

wzmacniającego, zwanego

regulatorem.

Regulatorem

nazywamy układ, którego zadaniem jest

zmienianie sygnału wejściowego obiektu najmniej tak, aby

sygnał błędu był jak najmniejszy, czyli aby sygnał regulowany

najmniej różnił się jak najmniej od sygnału sterującego

s

.

Regulator

niekoniecznie

musi

być

elementem

wzmacniającym. Może nim nie być wówczas, gdy sam obiekt

ma charakter elementu wzmacniającego.

Dla

pracy

zamkniętego

układu

automatyki

konieczne jest bowiem, aby co najmniej jeden z

występujących w tym układzie elementów był

elementem wzmacniającym. Jest to oczywiste z

energetycznego punktu widzenia.

W olbrzymiej większości przypadków zachodzących

w praktyce,

elementami wzmacniającymi

w

układach automatyki są regulatory.

Praca układu regulacji automatycznej może być

słownie opisana w ten sposób: wywołana

zakłóceniami

z

1

, z

2

zmiana sygnału regulowanego

y

powoduje powstanie sygnału błędu

e.

Sygnał błędu

e

, wprowadzony na wejście

regulatora, powoduje powstanie na jego wyjściu

sygnału

x,

który będąc jednocześnie sygnałem

wejściowym dla obiektu powoduje zmianę sygnału

regulowanego

y

tak, aby różnica

y — s

była jak

najmniejsza.

Układ regulacji automatycznej tworzy więc układ

zamknięty, pracujący na zasadzie tzw

.

sprzężenia

zwrotnego

.

W automatyce wszelkie spotykane układy – noszą nazwę

U S A

–

Układów Sterowania Automatycznego

.

Klasyfikację układów regulacji automatycznej można
przeprowadzić na różne sposoby, biorąc pod uwagę rozmaite
czynniki, które mają o niej decydować:

U S A

U S A

ZWYKŁE ROZGRYWAJĄCE ADAPTACYJNE

ZWYKŁE ROZGRYWAJĄCE ADAPTACYJNE

Układy Zwykłe

dzielimy na:

• Otwarte

• Zamknięte

• Kombinowane

Sterowanie u w

układzie otwartym

polega na

nastawianiu wielkości wejściowej x, aby znając

charakterystykę obiektu sterowania OS otrzymać

na wyjściu pożądaną wartość y.

Jest to układ, w którym na regulator nie

oddziaływują wielkości związane z obiektem

sterowania. W analizie tych układów często

uwzględnia się zakłócenia z.

US - urządzenie sterujące EW - element

wykonawczy

OS - obiekt sterowania EP – element pomiarowy

y

0

- wielkość zadana u' - sygnał sterujący na

wyjściu

u - sygnał sterujący z – zakłócenia

y – wielkość sterowana

Zamknięty układ sterowania (układ regulacji

automatycznej) – układ w którym na sygnał sterujący

obiekt u ma wpływ sygnał wyjściowy y.

R – regulator EW - element
wykonawczy
OS - obiekt sterowania EP – element
pomiarowy
y

0

- wielkość zadana u' - sygnał sterujący

na wyjściu R
u - sygnał sterujący z - zakłócenia
y - wielkość regulowana e – uchyb regulacji e =
y

0

- y

m

y

m

- wielkość regulowana pomierzona przez EP

Klasyfikacja układów regulacji
automatycznej

A. Ze względu na zadanie, jakie spełnia dany układ:

• Układy stabilizacji automatycznej,

• Układy sterowania sekwencyjnego,

• Układy śledzące,

• Układy regulacji programowej,

• Układy regulacji optymalnej (ekstremalnej).

B.

Ze względu na liczbę parametrów regulowanych

jednocześnie w tym samym obiekcie:

•Układy regulacji jednej zmiennej

•Układy regulacji wielu zmiennych

C.

Ze względu na rodzaj elementów, z jakich składa się układ:

•Układy liniowe

•Układy nieliniowe

lub inny ogólny podział:

•Układy regulacji ciągłej

•Układy regulacji przerywanej

D

. Ze względu na sposób pomiaru wielkości regulowanej:

•Układy analogowe

•Układy cyfrowe

A Podział układów regulacji automatycznej ze względu na

zadanie, jakie spełnia dany układ:

Układy stabilizacji automatycznej

– sygnał sterujący ma

stałą, raz nastawioną wartość,

s = const

.

W procesie regulacji

układ ma za zadanie utrzymać stała wartość sygnału

regulowanego

y

równą

s

.

Przykład: układ regulacji automatycznej napięcia generatora,

układ regulacji automatycznej temperatury pary

podgrzewanej w kotłach parowych.

 

Układy śledzące

– sygnał sterujący

s

jest nieznaną funkcją

czasu. Zmiany

s

nie zależą od procesu zachodzącego

wewnątrz układu regulacji automatycznej, ale są wywołane

zjawiskami występującymi zewnątrz układu. W procesie

regulacji sygnał regulowany

y

śledzi zmiany sygnału

sterującego

s

. (są to tzw.

układy nadążne

).

Przykład: radarowe układy nadążne artylerii przeciwlotniczej. 

Układy

sterowania

sekwencyjnego

–

ich

zadaniem jest zapewnienie wykonania składowych

operacji procesu technologicznego w określonej

kolejności.

Sterowanie sprowadza się do załączania i wyłączania

poszczególnych urządzeń procesu i realizowane jest

najczęściej przez układy przełączające.

• Układy regulacji programowej

– są szczególnym przypadkiem

układów śledzących. O regulacji programowej mówimy wówczas, gdy

sygnał sterujący jest znana, z góry określoną funkcją czasu

s(t)

, czyli

zmienia się według pewnego programu.

Przykład : układy regulacji automatycznej obrabiarek, wykonujących jakiś

element o z góry określonym profilu.

 

• Układy regulacji optymalnej (ekstremalnej )–

Regulację

ekstremalną stosuje się wówczas, gdy charakterystyka statyczna obiektu

jest krzywa ekstremalną (posiada maksimum względnie minimum).

Może się zdarzyć, że położenie tego ekstremum ulega przesuwaniu w

zależności od wartości pewnych sygnałów zakłócających.

Zadaniem układów regulacji ekstremalnej jest utrzymywanie wielkości

regulowanej y stale na wartości maksymalnej.

B. Podział układów regulacji automatycznej ze względu na

liczbę parametrów regulowanych jednocześnie w tym samym

obiekcie:

W zautomatyzowanych obiektach przemysłowych liczba sygnałów

wyjściowych (regulujących) jest najczęściej równa liczbie sygnałów

wejściowych (sygnałów regulowanych). W takich przypadkach automatyzację

można rozwiązać przez zastosowanie regulatorów jednowejściowych i

jednowyjściowych.

Istotną cechą regulacji wielu zmiennych jest to, że tylko w pewnych

specjalnych przypadkach każdy z obwodów regulacji poszczególnych

zmiennych można rozpatrywać niezależnie, pomijając wpływy innych

obwodów.

Na ogół zachodzi jednak konieczność uwzględnienia wzajemnego

oddziaływania między obwodami. Stanowi to właśnie o specyfice układów

regulacji wielu zmiennych i decyduje o wprowadzeniu do ich analizy nieco

szerszego aparatu matematycznego (rachunek macierzowy) i nieco

ogólniejszych pojęć (macierzowa funkcja przejścia) niż te, które są

stosowane w analizie układów o jednej zmiennej regulowanej.

C. Podział układów regulacji automatycznej ze względu na
rodzaj występujących w nich elementów.

Najbardziej ogólnym podziałem układów regulacji automatycznej ze względu na

rodzaj występujących w nich elementów jest podział na układy liniowe i nieliniowe.

y

x

y

x

Charakterystyka elementu dwupołożeniowego Charakterystyka
elementu trójpołożeniowego

Układami liniowymi

są takie układy, których wszystkie elementy

spełniają

zasadę superpozycji

, tzn. są liniowe. Jeżeli chociaż jeden

z elementów układu jest elementem nieliniowym, to cały układ nie

spełnia zasady superpozycji, a więc jest

układem nieliniowym

.

W układach regulacji nieliniowej wyróżniamy układy regulacji

dwu-

i

trójpołożeniowej

, jako najczęściej, spotykane w praktyce. Cechuje

je obecność elementów o charakterystykach pokazanych na

rysunku powyżej.

Innym, bardzo ogólnym podziałem, jest podział układów regulacji

automatycznej na układy regulacji

ciągłej

i układy regulacji

nieciągłej

, czyli

przerywanej

(

impulsowej

).

Schemat blokowy układu regulacji dwupołożeniowej i trójpołożeniowej

Istotną cechą regulacji impulsowej jest obecność impulsatora w

głównym obwodzie przenoszenia sygnałów, tak jak to pokazano na

rysunku poniżej

Zadaniem impulsatora jest przekształcenie ciągłego przebiegu

e(t)

na ciąg impulsów

x

. Układy regulacji impulsowej znajdują częste

zastosowanie w automatyce przemysłowej i w tych wszystkich

zagadnieniach, w których zachodzi konieczność przesyłania

sygnałów na duże odległości.

Schemat blokowy układu regulacji impulsowej

D. Podział układów regulacji automatycznej ze względu na

sposób pomiaru wielkości regulowanej (układy analogowe i

cyfrowe)

Istotą układów cyfrowych, odróżniającą je od pozostałych

układów — analogowych, jest sposób prowadzenia pomiaru

zmiennej regulowanej.

W

układach

analogowych

wynik

pomiaru

jest

przedstawiony w postaci wielkości fizykalnej, związanej z

wielkością regulowaną określoną zależnością funkcyjną,

(np. wysokość słupa rtęci proporcjonalna do ciśnienia lub

napięcia potencjometru proporcjonalne do kąta skręcenia

jego osi).

W układach cyfrowych zakres zmian wielkości regulowanej

dzieli się na odpowiednio dużą ilość części i każdej

przyporządkowuje kolejno odpowiednią liczbę, np. od l do

100.

Sygnałem regulowanym są wtedy liczby, które porównuje się

z liczbami reprezentującymi sygnał sterujący.

Węzeł sumacyjny ma, więc w takim przypadku charakter,

bardzo

prostego,

elementu

maszyny

matematycznej,

dokonującego porównania dwóch liczb przekazującego wynik

pomiaru regulatorowi.

Ten wynik, który jest również liczbą, przed wprowadzeniem

na regulator przekształca się na sygnał o przebiegu ciągłym

(analogowym).