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 ХЕ (t) = Х(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(астатический),

ПИ - пропорционально-интегральный (изодромный),

ПИД - пропорционально-интегральный с производной,

здесь k - коэфф. усиления регулятора,
Тпостоянные времени интегрирования
и дифференцирования. Фактич. воздействие u(t) отличается от uвследствие
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): хзаданное 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) Епри 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 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