1.4. Преимущества регулирования

1.4.1. Управление с непрерывным контролем

Рассмотренная нами до сих пор техника автоматического управления сама по себе очень интересна, но возможности ее практического применения подчас ограничены. В этом мы сможем убедиться на таком примере.

Мы могли бы создать открытую следящую систему, управляющую отоплением комнаты в зависимости от температуры на улице (схема ее действия показана на рис. 8). Такая идея напрашивается сама собой, поскольку топить обычно начинают тогда, когда на улице становится слишком холодно. Разумеется отопление должно быть достаточно мощным, чтобы поддерживать в комнате комфортную температуру даже при очень сильных морозах. Однако практика показывает, что даже если такая система не имеет никаких технических недостатков, она не всегда сможет выполнить свою функцию. Температура в комнате зависит не только от температуры воздуха на улице и интенсивности отопления. На нее влияет и целый ряд прочих факторов, например, нерегулярное проветривание помещения, число и поведение находящихся в комнате людей, наличие светильников, играющих в данном случае роль дополнительных обогревателей и т. д. Действие этих факторов мы также изобразили на рис. 8.

Рис. 8. Управление температурой в комнате в соответствии с температурой на улице. Возмущающие воздействия здесь не уравновешиваются

Такие внешние воздействия, как правило, нельзя ни устранить, ни рассчитать заранее: для этого они слишком нерегулярны. Они представляют собой случайные (стохастические) величины и потому непредсказуемы. Эти воздействия мешают работе системы и поэтому называются возмущающими воздействиями или помехами. Информация же, которая используется для управления, называется задающим воздействием. В нашем случае задающим воздействием является информация, согласно которой температуру воздуха в комнате надо довести до заданного значения 20° С. На рис. 9 это представлено схематически.

Рис. 9. Функциональная схема следящей системы, изображенной на рис. 8. Температура воздуха на улице является задающим воздействием, а все остальные возмущающие воздействия - нежелательными помехами

Конечно вы, уважаемый читатель, быстро найдете выход из положения. Вы отапливаете свою квартиру совсем не так, как показано на рис. 8. Оценивая достигнутый результат, вы учитываете тем самым воздействие всех факторов: вы приходите, например, к выводу, что в комнате слишком холодно, и значит, надо повысить температуру. Для большей точности вы вешаете в подходящем месте комнаты термометр, чтобы измерять температуру воздуха. Фактическую температуру вы сравниваете с заданной и, в зависимости от того, какая из них больше, решаете, что вам делать. Этот процесс изображен на рис. 10.

Рис. 10. Принцип регулирования температуры воздуха в комнате. Возмущающие воздействий влияют на температуру воздуха, но их влияние устраняется (уравновешивается) посредством регулирования

Фактическая температура воздуха в комнате измеряется термометром. Эту информацию вы сопоставляете с заданной величиной и, в соответствии с результатом сравнения, устанавливаете вентиль отопления в нужном положении.

На рис. 11 этот же процесс показан схематически. Отличительной его чертой является поступление обратной информации (обратная связь), которое необходимо для контроля. Обратная связь замыкает линию управления. Поэтому такое управление называют также замкнутым. Процесс, изображенный на рис. 11, называется регулированием.

Рис. 11. Функциональная схема регулирования системы, изображенной на рис. 10. Воздействия образуют замкнутый контур регулирования

Регулирование - это управление с обратной связью, при котором значение управляемой величины постоянно сопоставляется с ее заданным значением. Цель регулирования - уравнять эти величины, несмотря на различные помехи.

Нам хотелось бы ввести здесь еще несколько терминов.

Регулируемая величина - это управляемая величина, подлежащая регулированию.

Задающее воздействие определяет заданное значение, к которому должна стремиться регулируемая величина.

Возмущающее воздействие влияет на процесс (см. ниже) нежелательным и, в большинстве случаев, непредсказуемым образом.

Регулирующее воздействие оказывается регулирующим органом и компенсирует возмущающее воздействие.

Процессом мы называем последовательность операций при производстве и регулировании (преобразование и передача энергии, материала и информации).

В рассмотренных примерах в качестве регулятора выступает сам человек.

Такие случаи встречаются нам на каждом шагу. Например, человек управляет автомобилем в потоке транспорта (рис. 12). Водитель постоянно наблюдает за направлением и скоростью движения и сравнивает их с заданными значениями, которые определяются целью поездки и правилами уличного движения. Исходя из этого сравнения, он оценивает ситуацию и ведет свою машину. В процессе регулирования водитель:

• измеряет фактическое значение интересующих его физических величин;
• сравнивает измеренное фактическое значение с заданным;
• реагирует - принимает меры, исходя из этого сравнения;
• оптимизирует - выбирает лучший способ передвижения, например, с наименьшим расходом горючего.

Рис. 12. Управление автомобилем - замкнутый контур регулирования

функциональная схема рис. 12 отличается от схемы на рис. 3, во-первых, обратной передачей информации к регулирующему органу, что позволяет непрерывно контролировать процесс и замыкает контур регулирования. Во-вторых, регулирующее воздействие носит здесь характер противодействия: оно призвано уменьшить рассогласование (т. е. отклонение регулируемой величины от заданного значения). Если, к примеру, скорость слишком велика, водитель сбрасывает газ.

Регулирование необходимо всюду, где надо уравновесить возмущающее воздействие. Регулирование возможно всюду, где человек может измерять (наблюдать) физическую величину и реагировать, т. е. управлять ею. Поэтому, скажем, изготовление особых, обладающих тонким вкусом сортов шоколада, не поддается регулированию, поскольку объективно измерить вкус нельзя. Мы не можем также регулировать погоду, поскольку не умеем ею управлять.