РЕГУЛИРОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЕ

РЕГУЛИРОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЕ (от нем. regulieren - регулировать, от лат. regula - норма, правило), поддержание постоянства (стабилизация) нек-рой регулируемой величины, характеризующей технич. процесс, либо её изменение по заданному закону (программное регулирование) или в соответствии с нек-рым измеряемым внешним процессом (следящее регулирование), осуществляемое приложением управляющего воздействия к регулирующему органу объекта регулирования; разновидность автоматического управления. При Р. а. управляющее воздействие и (t) обычно является функцией динамич. ошибки - отклонения Е (t) регулируемой величины х (t) от её заданного значения Х_o (t): Е (t) = Х_o (t) - х (t) (принцип Ползунова - Уатта регулирования по отклонению, или принцип обратной связи) (рис., а). Иногда к Р. а. относят также управление, при к-ром и (t) вырабатывается (устройством компенсации) в функции возмущающего воздействия f (нагрузки) на объект (принцип Понселе регулирования по возмущению) (рис., б), и комбинированное регулирование по отклонению и возмущению (рис., в).

Для осуществления Р. а. к объекту подключается комплекс устройств, представляющих собой в совокупности регулятор. Объект и регулятор образуют систему автоматич. регулирования (САР). САР по отклонению является замкнутой (см. Замкнутая система управления), по возмущению - разомкнутой (см. Разомкнутая система управления). Мате-матич. выражение функциональной зависимости желаемого (требуемого) управляющего воздействия MO (t) от измеряемых регулятором величин наз. законом, или алгоритмом, регулирования. Наиболее часто применяемые законы Р. а.: П - пропорциональный (статический), u_o = kE; И - интегральный (астатический),

ПИ - пропорционально-интегральный (изодромный),

ПИД - пропорционально-интегральный с производной,

здесь k - коэфф. усиления регулятора, Т_и и Т_д - постоянные времени интегрирования и дифференцирования. Фактич. воздействие u(t) отличается от u_o(t) вследствие инерционности регулятора. САР является динамической системой, процессы в к-рой описываются дифференциальными, дифференциально-разностными и т. п. ур-ниями.

Структурные схемы автоматического регулирования по отклонению (а), по возмущению (б) и комбинированного (в): х_o- заданное значение регулируемой величины; E - динамическая ошибка (рассогласование); и - управляющее воздействие; f - возмущающее воздействие (нагрузка); х - регулируемая величина; кружком, разделённым на секторы, обозначено сравнивающее устройство.

САР может находиться в состоянии равновесия, в ней могут протекать установившиеся и переходные процессы, количеств. характеристики к-рых изучает теория автоматич. регулирования (ТАР). В статических системах регулирования установившаяся погрешность (ошибка) Е_ст при постоянной нагрузке (на объект) зависит от величины последней. Для повышения статической точности увеличивают коэфф. усиления регулятора k, но при достижении им нек-рого критич. значения k_кр система обычно теряет устойчивость. Введение в регулятор интегрирующих элементов позволяет получить астатическую систему регулирования, в к-рой при любой постоянной нагрузке статич. ошибка отсутствует. ТАР изучает условия устойчивости, показатели качества процесса регулирования (дияамич. и статич. точность, время регулирования, колебательность системы, степень и запасы устойчивости и т. п.) и методы синтеза САР, т. е. определения структуры и параметров корректирующих устройств, вводимых в регулятор для повышения устойчивости и обеспечения требуемых показателей качества Р. а.

Наиболее полно разработана ТАР линейных систем, в к-рой применяются аналитич. и частотные методы исследования. Малые отклонения от равновесных состояний в непрерывных нелинейных системах Р. а. исследуются посредством линеаризации исходных ур-ний. Процессы при больших отклонениях и специфич. особенности нелинейных САР (предельные циклы, автоколебания, захватывание, скользящие режимы и т. п.) изучаются методами фазового пространства. Для изучения периодич. режимов также применяют приближённые методы малого параметра, гармонич. баланса и др. Устойчивость при больших отклонениях исследуется вторым (прямым) методом Ляпунова и методом абс. устойчивости, разработанным В. М. Поповым (Румыния). Спец. раздел ТАР посвящён Р. а. при случайных воздействиях.

С 50-х гг. 20 в. развиваются теория инвариантных САР, обеспечивающих независимость x(t) от возмущений, и теория многосвязных САР, в к-рых мн. величины связаны через регулируемый объект. В таких САР часто вводят дополнит. связи между регуляторами в целях получения определённых свойств, в частности автономности (независимости процессов регулирования отд. величин). В 60-х гг. получила развитие и применение теория систем с переменной структурой, особенно эффективных при работе в условиях больших изменений параметров системы и среды, т. к. переходные процессы в них определяются свойствами управляющего устройства и мало зависят от параметров объекта регулирования и среды.

Особое место в ТАР занимают дискретные системы Р. а., в к-рых осуществляется квантование сигнала. Из них наиболее изучены импульсные системы (с квантованием по времени), релейные системы (с квантованием по уровню) и цифровые системы (с квантованием по времени и уровню). Частный вид релейных систем - двухпозиционные регуляторы, в к-рых регулирующий орган может занимать лишь одно из двух крайних положений.

История развития Р. а. Даты изобретения первых регулирующих устройств, так же как и имена их изобретателей, не установлены. Напр., поплавковый регулятор уровня водяных часов, осн. на принципе регулирования по отклонению, был известен арабам ещё в начале н. э. На мукомольных мельницах в ср. века применялись центробежные маятники для регулирования частоты вращения жерновов. Однако первыми регуляторами, получившими широкое практич. применение в пром-сти, стали регулятор питания котла паровой машины И. И. Ползунова (1765) и центробежный регулятор частоты вращения паровой машины Дж. Уатта (1784).

Первые регуляторы осуществляли прямое регулирование, при к-ром измерит. орган непосредственно воздействовал на регулирующий орган. Такое Р. а. было возможно только на машинах малой мощности, где для перемещения регулирующих органов (рычага, колеса) не требовалось больших затрат энергии. В 1873 французский инженер Ж. Фарко впервые осуществил непрямое Р. а., введя в цепь регулирования усилитель - гидравлич. сервомотор с жёсткой обратной связью. Это дало возможность не только повысить мощность воздействия регулятора, но и получить более гибкие алгоритмы Р. а. В 1884 появился регулятор непрямого действия с дополнит. релейной обратной связью, действовавшей до тех пор, пока отклонение было отлично от нуля. Затем релейная связь была заменена непрерывной дифференциальной связью, получившей назв. изодромной.

Со 2-й пол. 19 в. Р. а. применяется в самых различных технич. устройствах- паровых котлах, компрессорных установках, электрич. машинах и др. К этому же периоду относится и становление науки о Р. а. В статье Дж. К. Максвелла "О регулировании" (1868) впервые рассмотрена математич. задача об устойчивости линейной САР. Трудом И. А. Вышнеградского "О регуляторах прямого действия" (1877) заложена основа ТАР как новой научно-технич. дисциплины. Дальнейшее её развитие и систематич. изложение дано А. Стодолой, Я. И. Грдиной и Н. Е. Жуковским.

Новый этап в развитии Р. а. наступил с применением в регуляторах электронных элементов, в частности вычислит. устройств, что существенно расширило возможность усовершенствования алгоритмов регулирования введением воздействий по высшим производным, интеградам и более сложным функциям. Преимущества электронных регуляторов особенно проявились в самонастраивающихся системах, первыми из к-рых были экстремальные регуляторы: регулятор топки парового котла (1926), электрич. регулятор кпд (1940), авиационные регуляторы (1944). Однако подобные регуляторы применяют лишь в простейших случаях, например для поддержания экстремума функции одной переменной. В более сложных САР целесообразно разделить систему регулирования на две части: вычислит. устройство, определяющее оптимальную настройку регулятора, и собственно регулятор. В сложных системах управления Р. а. используется лишь на низшей ступени иерархич. управления - регуляторы воздействуют непосредственно на управляемый объект, являясь исполнителями команд ЭВМ (или операторов), находящихся на более высоких ступенях управления.

Лит.; Теория автоматического регулирования, под ред. В. В. Солодовникова, кн. 1 - 3, М., 1967 - 69; Воронов А. А., Основы теории автоматического управления, ч. 1 - 3, М.- Л., 1965-70; Заде Л., Дезоер Ч., Теория линейных систем. Метод пространства состояний, пер. с англ., М., 1970; Бесекерский В. А., Попов Е. П., Теория систем автоматического регулирования, М., 1972; Сю Д., Мейер А., Современная теория автоматического управления и её применение, пер. с англ., М., 1972; Основы автоматического управления, под ред. В. С. Пугачева, 3 изд., М., 1974.

А. А. Воронов