Структурная схема регулятора скорости с использованием типовых звеньев САУ
В качестве ОР будем подразумевать колесное транспортное средство, линейное поступательное движение которого осуществляется за счет вращательного движения колесных пар. Следовательно, чувствительным элементом изменения скорости движения объекта может служить колесо, а в качестве измерительного устройства может служить, например, преобразователь скорости вращения колеса в напряжение постоянного тока или частоту переменного тока.
Введем следующие обозначения:
– коэффициент преобразования, связывающий линейную скорость 
с угловой скоростью 
вращения колеса: 
;
– коэффициент преобразования угловой скорости вращения колеса в напряжение постоянного тока: 
;
– коэффициент преобразования линейной скорости в напряжение постоянного тока: 
, где 
.
В качестве усилительно-преобразовательного устройства может служить электросиловая установка, установленная на транспортном средстве и воздействующая на тяговый двигатель, являющийся исполнительным устройством, выполняющим функции ускорения или замедления (при электрическом реостатном торможении) вращения колеса. Коэффициент преобразования 
усилительно-преобразовательного устройства устанавливает связь между величиной отклонения 
задающего воздействия 
от измеренного значения 
и величиной требуемой силы тяги 
(или силой торможения Wт), а именно: 
. Тяговый двигатель в режиме тяги реализует требуемое значение силы или в режиме генератора – требуемое значение силы Wт, обеспечивая соответствующее изменение скорости вращения колеса в единицу времени (ускорение/замедление 
).
С целью упрощения структурной схемы регулятора скорости принимаем допущение о равенстве абсолютного значения приращения скорости в единицу времени b как при регулируемом увеличении скорости вращения колеса, так и при ее снижении в процессе торможения транспортного средства. Очевидно, что приращению угловой скорости вращения колеса b в единицу времени соответствует приращение линейной скорости 
.
Для повышения точности регулирования скорости движения ОР на практике часто вводят такую зависимость между величиной отклонения 
значений заданной скорости 
от фактической 
и величиной b, при которой, чем меньше величина отклонения , тем меньше требуемое значение b. В качестве примера примем линейную зависимость: 
, где 
– коэффициент пропорциональности. Следовательно, если известна разность 
, то можно определить общий коэффициент преобразования (усиления) 
тракта, состоящего из усилительно-преобразовательного и исполнительного устройств, из следующего соотношения:
, откуда 
,
где 
.
Значения коэффициента 
для различных вариантов приведены в табл.1, а на рис.1 приведена общая структурная схема регулятора скорости, которая представлена в виде набора связанных между собой функциональных узлов (блоков).
Рис.1. Общая структурная схема автоматического регулятора скорости
С выхода задающего устройства ЗУ на один из входов устройства сравнения УС поступает постоянное напряжение 
, пропорциональное значению заданной скорости 
. На другой вход устройства УС поступает напряжение 
, пропорциональное фактической скорости движения 
. С выхода УС сигнал ошибки в виде напряжения 
, пропорционального разности скоростей 
, поступает на собственно регулятор, состоящий из усилительно-преобразовательного УП и исполнительного ИСУ устройств и который преобразует сигнал ошибки 
в регулирующее воздействие 
на объект ОР, ускоряя или замедляя его движение с интенсивностью 
в зависимости от величины и знака рассогласования скоростей. Система, представленная на рис. 1, относится к статическим системам автоматического управления, в которых регулирование осуществляется по отклонению. Для статических систем характерна существенная зависимость ошибки регулирования в установившемся режиме от значения статического коэффициента усиления 
разомкнутой (без обратной связи) системы регулирования. С увеличением 
ошибка 
уменьшается, а с уменьшением – увеличивается.
Прежде, чем приступить к анализу процесса регулирования и к выбору структуры и параметров САУ, ее предварительно разбивают на элементарные типовые динамические звенья. При этом определяют статические и динамические характеристики каждого звена. Как видно из рис.1, каждый функциональный блок имеет свою входную и выходную величину. Так как коэффициент преобразования 
изменяет только масштаб переменных, то в дальнейшем удобнее оперировать с входными и выходными переменными в масштабе скорости. Тогда статическая характеристика ОР будет выражать собой зависимость между выходной (регулируемой) величиной 
и входной величиной (регулирующим воздействием) 
и иметь вид:
,
где 
– скорость объекта на момент начала регулирования,
а – требуемое изменение линейной скорости в единицу времени с тем, чтобы обеспечить соответствующее приращение скорости ΔVp в установившемся режиме регулирования.
Кроме того, на ОР может поступать внешнее в общем виде произвольно изменяющееся возмущающее воздействие, обусловленное, например, изменением сопротивления движению транспортного средства на участках пути с различным профилем, вызывающее изменение фактической скорости на величину, равную 
. Следовательно, статическая характеристика ОР окончательно примет следующий вид: 
.
Следовательно, реальный объект регулирования мы можем заменить его моделью в виде блока генератора ступенчатой функции, генерирующего постоянный сигнал 
, численно равный начальной скорости движущегося объекта 
, и двух блоков, реализующих функцию суммирования всех воздействий. На рис.2. показана структурная схема модели ОР.
Рис.2. Структурная схема модели объекта регулирования (ОР)
Прежде, чем приступать к моделированию процесса регулирования скорости, необходимо разработать структурные схемы моделей отдельных функциональных узлов, входящих в состав системы автоматического управления с использованием элементарных типовых динамических звеньев.
Для упрощения моделирования при выполнении задания 1случайное по своей природе возмущающее воздействие ΔVp на процесс движения ОР, заменим ступенчатой функцией с амплитудой, равной максимальному его значению А. В этом случае структурная схема модели источника ВВ может быть представлена в виде блока ступенчатой функции (рис. 3):
Рис.3. Структурная схема модели постоянного возмущающего
воздействия (ВВ)
Два последовательно включенных функциональных блока в цепи обратной связи: чувствительный элемент (ЧЭ) и измерительное устройство (ИУ) можно было бы представить в виде усилительного безинерционного звена с коэффициентом усиления 
, который по своей сути является коэффициентом усиления 
цепи обратной связи между выходом и входом регулятора скорости.
Так как регулируемый объект обладает инерционностью, т.е. для регулируемого изменения скорости требуется определенное время, то для ее учета в цепь обратной связи вводим апериодическое (инерционное) звено с постоянной времени 
и статическим коэффициентом усиления . Структурная схема блока, замещающего элементы цепи обратной связи, представлена на рис.4.
Рис.4. Структурная схема модели цепи обратной связи (ОС)
Взаимосвязь между входным и выходным сигналами модели цепи обратной связи в этом случае описывается соотношением: 
.
Значение постоянной времени 
выбирается из табл.1, а значение коэффициента усиления 
при моделировании регулятора скорости должно определяться расчетом из уравнения динамики автоматического регулятора скорости, методика составления которого приводится ниже.
Два последовательных функциональных блока в основной цепи регулятора: усилительно-преобразовательное (УП) и исполнительное (ИСУ) устройства представим в виде одного апериодического звена с коэффициентом усиления 
, характеризующим результирующий коэффициент усиления данной цепи, и постоянной времени Т1, которая характеризует инерционность исполнительного устройства. Значения переменных 
и Т1 выбираются из табл.1.
Задающее устройство (ЗУ) может быть представлено в виде генератора ступенчатой функции с амплитудой F, численно равной значению заданной скорости 
, рис. 5.
Рис. 5. Структурная схема модели задающего устройства (ЗУ)
Сигнал с выхода ЗУ поступает на один из входов устройства сравнения (УС), реализующего функцию вычитания (сравнения) двух сигналов, рис. 6. На другой вход УС должен поступать сигнал Voc с выхода блока ОС, моделирующего цепь обратной связи.
Рис. 6 Структурная схема модели устройства сравнения