Автоматическое регулирование играет ключевую роль в современной промышленности и технике.
Такие системы обеспечивают поддержание заданных параметров технологических процессов и работу оборудования в оптимальных режимах.
Одной из важнейших характеристик САР является их способность поддерживать регулируемую величину при воздействии различных возмущений.
В теории автоматического управления выделяют два основных типа систем по характеру установившегося режима:
Они имеют принципиальные различия в своем поведении и характеристиках. Понимание их особенностей критически важно для правильного проектирования систем управления.
Статизм представляет собой количественную характеристику, показывающую относительное изменение регулируемой величины при изменении нагрузки от номинальной до нулевой.
Он выражается в процентах и определяется как отношение относительного изменения регулируемой величины к относительному изменению возмущающего воздействия.
Его величина существенно влияет на качество поддержания заданных значений параметров.
При малом значении обеспечивается более точное поддержание заданного значения, но может возможны колебаниям.
В реальных ситуациях он может быть как положительным, так и отрицательным.
Положительный означает уменьшение регулируемой величины при увеличении нагрузки, отрицательный - её увеличение.
Выбор знака и величины определяется требованиями к САУ и особенностями объекта применения.
Таким образом, статическая САР характеризуется наличием остаточного отклонения регулируемой величины от заданного значения при постоянном возмущающем воздействии.
Это отклонение называется статической ошибкой. В установившемся режиме такая система приходит к новому равновесному состоянию, отличающемуся от исходного.
Эта зависимость количественно характеризуется коэффициентом статизма. При увеличении возмущающего воздействия пропорционально увеличивается и статическая ошибка.
В промышленности статические системы широко применяются благодаря своей простоте и надежности.
В современной технике такие регуляторы используются для поддержания давления, температуры, уровня жидкости.
1. Регулирование уровня воды в баке с пропорциональным клапаном.
Принцип работы.
Если уровень воды в баке ниже заданного значения, то клапан открывается пропорционально отклонению.
Чем ниже уровень, тем больше открывается клапан. Когда уровень воды приближается к уставке, клапан начинает прикрываться.
При длительном отборе воды из бака уровень может стабилизироваться немного ниже уставки, так как клапан открывается лишь на столько, чтобы поддерживать равновесие между притоком и оттоком.
Это и есть статическая ошибка. Чем больше отбор, тем больше остаточное отклонение.
2. Регулирование температуры в помещении с пропорциональным термостатом.
Принцип работы.
Если температура в помещении ниже заданной, термостат увеличивает подачу тепла на радиатор или включает нагреватель пропорционально отклонению.
По мере приближения к уставке, подача тепла уменьшается.
При увеличении теплопотерь из помещения (например, при открытии окна) температура может стабилизироваться ниже уставки, так как термостат подает лишь столько тепла, чтобы скомпенсировать потери. Это также является ошибкой.
Астатизм характеризуется порядком - числом последовательно соединенных интегрирующих звеньев.
Система первого порядка полностью компенсирует постоянное возмущающее воздействие, второго порядка - линейно изменяющееся, третьего - квадратично изменяющееся.
Повышение порядка астатизма улучшает точность поддержания параметров в установившемся режиме, но усложняет систему и может ухудшать её динамические характеристики.
При проектировании необходимо находить компромисс между точностью и устойчивостью.
Это связано с необходимостью обеспечения устойчивости при наличии интегрирующих звеньев.
Астатическая САР характеризуется способностью полностью устранять статическую ошибку в установившемся режиме.
После окончания переходного процесса регулируемая величина возвращается точно к заданному значению независимо от величины постоянного возмущающего воздействия.
Астатизм достигается введением в состав оборудования интегрирующего звена, которое накапливает отклонение и формирует управляющее воздействие, необходимое для полной компенсации возмущения.
Это обеспечивает высокую точность в установившемся режиме.
Это делает их незаменимыми в процессах, требующих высокой точности поддержания параметров.
1. Регулирование температуры в помещении с ПИД-регулятором.
Принцип работы.
ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор) реагирует на отклонение температуры, а также на скорость изменения температуры.
Интегральная составляющая гарантирует, что ошибка постепенно будет сведена к нулю.
Даже при постоянных теплопотерях температура в помещении будет точно поддерживаться на заданном уровне. Интегральная составляющая будет автоматически "помнить" прошлую ошибку и компенсировать ее.
2. Круиз-контроль в автомобиле.
Принцип работы.
ПИД-регулятор отслеживает отклонение текущей скорости от заданной. Интегральная составляющая устраняет любую постоянную ошибку, поддерживая точную заданную скорость даже при изменении уклона дороги (изменении нагрузки на двигатель).
При выборе типа САР необходимо учитывать особенности объекта управления и требования к качеству регулирования.
Статические обладают простотой реализации и высокой надежностью, но имеют принципиальное ограничение в виде статической ошибки.
Астатические обеспечивают более высокую точность, но требуют более сложных технических решений и тщательной настройки.
Они более чувствительны к параметрам настройки и могут быть менее устойчивы при неправильном выборе параметров.
Например, ПИД регуляторы содержат как пропорциональную составляющую, характерную для статических систем, так и интегральную, обеспечивающую астатизм.
Практическое применение.
В промышленности выбор между статической и астатической системой определяется конкретными требованиями технологического процесса.
Первые часто применяются в процессах, где допустимы небольшие отклонения поддерживаемой величины и важна простота обслуживания.
Вторые используются в прецизионных процессах, требующих высокой точности поддержания параметров.
Это могут быть системы:
При проектировании САР важно учитывать динамические характеристики объекта управления.
Для инерционных объектов часто предпочтительны статические алгоритмы, обеспечивающие лучшую устойчивость. Для малоинерционных объектов могут применяться астатические системы, обеспечивающие высокую точность.
Развитие цифровых технологий существенно расширило возможности реализации как обоих типов САР.
Современные промышленные контроллеры позволяют реализовывать сложные алгоритмы управления, включая адаптивные системы с переменной структурой.
Использование методов искусственного интеллекта и машинного обучения позволяет создавать комплексы, автоматически адаптирующиеся к изменению условий работы и параметров объекта управления. Это размывает традиционное разделение на статические и астатические системы.
Это позволяет улучшить качество работы.
Заключение.
Понимание различий между статическими и астатическими САР является фундаментальным для специалистов в области автоматизации.
Каждый тип имеет свои преимущества и ограничения, которые необходимо учитывать при проектировании.
Выбор должен основываться на тщательном анализе требований к процессу регулирования, характеристик объекта управления и условий эксплуатации.
Современные технологии предоставляют широкие возможности для реализации обоих типов систем и их комбинаций, позволяя создавать оптимальные решения для конкретных задач автоматизации.
Рекомендуемые материалы:
Кондуктометрические датчики уровня жидкости, устройство, принцип работы и область применения
Релейная защита и автоматика электроснабжения, устройство, виды и принцип работы систем
Фаза, ноль, заземление. Как их определить и что это такое
© 2012-2025 г.г. Все права защищены.
Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов