Перехід від функціональної схеми системи автоматичного регулювання до структурної схеми

Функціональна схема САР складається з функціональних блоків, які є конструктивно відособленими частинами (елементи або пристрої), що призначені для виконання певних функцій.

Функціональні схеми систем автоматичного регулювання відображають взаємодію всіх елементів (пристроїв) САР. Графічно функціональні блоки на схемі позначають прямокутниками, усередині яких вписують їх найменування відповідно до виконуваних функцій. Зв’язки між функціональними блоками позначають лініями із стрілками, які вказують напрям передачі інформації.

Для прикладу на рис. 1.11 показана функціональна схема замкнутої одноконтурної САР рівня в ємності, що працює за відхиленням. Одноконтурною називають САР, якщо під час її розмикання в будь-якій точці утворюється схема без паралельних та зворотних з’єднань.

Рис. 1.11. Функціональна схема САР рівня

На рис. 1.11 застосовані такі найменування функціональних блоків: OP – об’єкт регулювання; ВПр – вимірювальний перетворювач, призначений для перетворення регульованої величини (рівня) на сигнал , який можна передати на відстань; З – задавач, призначений для формування заданого значення регульованої величини ; ЕП – елемент порівняння, призначений для отримання сигналу, пропорційного відхиленню регульованої величини від заданого значення ; АР – автоматичний регулятор, призначений для формування регулюючої дії; ВМ – виконавчий механізм, призначений для підсилення сигналу регулятора та дії на РО – регулюючий орган. РО в свою чергу змінює ту вхідну величину (витрату ), за допомогою якої безпосередньо змінюють вихідну регульовану величину. Таким чином, кожен блок на схемі рис. 1.11 виконує свою функцію.

В схемах автоматизації елементи (пристрої) систем автоматичного регулювання зображують за допомогою умовних позначень, які регламентуються державним стандартом ДСТУ Б А.2.4-16:2008. Основні положення цього стандарту наведені у додатку А. Згідно цього стандарту прилади на функціональних схемах автоматизації графічно позначають колом діаметром 10 мм, всередині якого у верхній частині наносять літерне позначення, а у нижній частині – цифрове позначення. З літерного позначення зрозуміло, яку саме величину об’єкта регулювання регулюють, а також які функції виконує прилад або засіб в системі автоматичного регулювання.

Для прикладу проілюструємо, як виглядатиме розглянута вище САР рівня рідини в ємності на функціональній схемі автоматизації (рис. 1.12).

Рис. 1.12. САР рівня, зображена на функціональній схемі автоматизації:

1 – вимірювальний перетворювач рівня; 2 – автоматичний регулятор; 3 – задавач; 4 – виконавчий механізм; 5 – регулюючий орган.

Кожний прилад або засіб автоматизації, зображений на рис. 1.12, виконує функції, які забезпечують роботу САР в цілому.

Для дослідження САР необхідно мати її математичну модель. Щоби її отримати, складають структурну схему САР, яка дає змогу на основі відомих властивостей окремих елементів визначати математичну модель цілої системи автоматичного регулювання.

Покажемо, як на основі функціональної схеми одноконтурної САР, показаної на рис. 1.12, складають відповідну їй структурну схему. Припустимо, що математичні моделі об’єкта регулювання за кожною вхідною величиною, а також математичні моделі всіх приладів і засобів, що складають САР, відомі і описуються функціями передачі.

Перехід від функціональної (фізичної) схеми системи автоматичного регулювання до структурної схеми (див. рис. 1.13) починаємо з вхідних величин об’єкта регулювання: регулюючої дії – витрати рідини на вході в ємність та збурення – витрати рідини на виході з ємності , які через функції передачі і перетворюються на зміни регульованої величини – рівня L рідини. Таким чином, канал прямого зв’язку розпочинається із регулюючої дії або зі збурення і закінчується вихідною (регульованою) величиною системи. Після цього добудовують ланки у зворотному зв’язку, а саме: вимірювального перетворювача рівня 1 з функцією передачі , автоматичного регулятора 2 з функцією передачі , задавача 3 – функція передачі , виконавчого механізма 4 – функція передачі , при цьому враховують розмірності вхідної і вихідної величин кожної ланки. Регулюючий орган 5 позначений суматором на лінії регулюючої дії.

Рис. 1.13. Структурна схема одноконтурної САР рівня рідини

З отриманої структурної схеми легко знайти функцію передачі САР за кожною з вхідних величин. Так, зокрема, якщо змінюється лише витрата рідини на виході , а витрата на вході в ємність і задане значення є постійними в часі, то структурна схема спрощується і виглядає так, як показано на рис. 1.14. Ланка з функцією передачі рівною 1, додана в прямий зв’язок зустрічно-паралельного з’єднання ланок, полегшує знаходження функції передачі цілої САР.

Рис. 1.14. Структурна схема САР при дії збурення

Згідно розглянутих вище правил функція передачі одноконтурної САР відносно входу і виходу рівна:

Складнішою задачею є знаходження математичних моделей багатоконтурних САР. Замкнуту САР називають багатоконтурною, якщо під час її розмикання в будь-якій точці, утворюється коло, що містить паралельне з’єднання або з’єднання зі зворотним зв’язком або обидва разом. До багатоконтурних належать комбіновані, каскадні САР тощо.

Знаходження функції передачі багатоконтурної САР здійснюють в такому порядку:

1. Шляхом перестановки суматорів, перенесення ліній зв’язку або точок з’єднання ліній зв’язку усувають перехресні зв’язки.

2. Застосовуючи правила знаходження функції передачі типових з’єднань, перетворюють багатоконтурну САР на одноконтурну.

3. Знаходять функцію передачі одноконтурної САР.