Сущность  обратной связи можно раскрыть на примере системы автоматического регулирования температуры теплоносителя в шахтной зерносушилке (рис. 1).

     Объектом  регулирования в системе автоматизации  является зерносушилка, а в состав автоматического регулятора входят терморезистор, измерительный мост, усилитель, электродвигатель с передаточным механизмом и заслонка , а также устройство обратной связи .

    Измерительный мост автоматического регулятора может  находиться во время работы зерносушилки в равновесном или неравновесном состоянии. Условие равновесия измерительного моста выражается равенством RR_ОС = R_ЭR_О и соответствует установившемуся режиму сушки, т. е. заданному значению температуры теплоносителя в сушилке. Основное свойство измерительного моста заключается в том, что при любом значении стабилизированного напряжения U_СТ источника питания его равновесное состояние соответствует отсутствию в диагонали ab электрического тока.

    Температура теплоносителя контролируется на входе  зерносушилки терморезистором. Резистором 4 устанавливается равновесное состояние измерительного моста, соответствующее заданному значению температуры теплоносителя. Измерительный мост питается от источника стабилизированного напряжения U_СТ.

    Чтобы понять сущность всех разновидностей обратных связей, необходимо рассмотреть два варианта работы зерносушилки: в первом варианте местная обратная связь отсутствует в автоматическом регуляторе, а во втором - в автоматический регулятор она вводится.

    Работа  зерносушилки без дополнительной обратной связи в автоматическом регуляторе заключается в следующем. При  пуске зерносушилки в работу в момент времени t₁ температура на ее входе соответствует температуре окружающей среды и равна Θ₁ (рис. 2). На этом рисунке пуск зерносушилки соответствует точке А. Температуру Θ₁ имеет также терморезистор. Поскольку Θ₁ < Θ₀, его сопротивление отличается от того сопротивления, которое соответствует заданной температуре теплоносителя Θ₀. Следовательно, мост разбалансирован и его равновесие нарушается. На выходе измерительного моста в его диагонали ab появляется электрический сигнал разбаланса определенной полярности и во входной цепи усилителя протекает ток определенного направления. Усилителем 6 этот сигнал усиливается до значения, достаточного для включения электродвигателя, который через передаточный механизм поворачивает заслонку. Приток горячего воздуха увеличивается и повышается температура теплоносителя в зерносушилке. Через некоторое время температура в месте установки заслонки достигает заданной. Но терморезистор еще не реагирует на эту температуру в силу инерционности и некоторой удаленности от заслонки (проявляется одно из свойств объекта - транспортное и емкостное запаздывание). Электродвигатель продолжает поворачивать заслонку и останавливается с некоторым запаздыванием. Температура теплоносителя превышает заданное значение и достигает значения, соответствующего точке В. В результате сопротивление терморезистора будет соответствовать максимальной температуре теплоносителя. В силу этого изменяется полярность сигнала разбаланса измерительного моста и ротор двигателя начнет вращаться в обратную сторону, перемещая также заслонку в обратном направлении. Приток холодного воздуха увеличивается, и температура теплоносителя понижается, достигая точки С, в силу проявления свойств запаздывания объекта и инерционности терморезистора. Затем характер изменения температуры повторяется, и в системе автоматического регулирования возникают периодические колебания температуры (график 1), называемые автоколебаниями.

     Управляемым (выходным в системе автоматизации) параметром объекта является температура, которая в процессе работы зерносушилки постоянно изменяется и отличается от ее заданного значения. Таким образом, возникает отклонение между действительным значением температуры и ее заданным значением  ∆Θ = Θ_i - Θ₀. Пропорционально отклонению температуры ∆Θ появляется сигнал в виде изменения электрического сопротивления терморезистора, который, претерпевая изменения, проходит через все функциональные элементы автоматического регулятора. Последним его функциональным элементом является заслонка, которая, изменяя соотношение между количеством горячего и холодного воздуха, вводит в объект определенное количество тепловой энергии, необходимой для стабилизации температуры в сушилке.

    Проведенный анализ первого варианта работы системы  автоматического регулирования позволяет установить с учетом ранее описанных определений обратных связей, что в такой системе автоматизации действует главная обратная связь.

    Поскольку главная обратная связь действует  от начала пуска зерносушилки до ее установившегося режима, т. е. в переходном режиме, и в установившемся режиме, то она является жесткой.

    Чтобы установить, отрицательной или положительной  является главная обратная связь в системе автоматизации, достаточно провести некоторый анализ установившегося режима работы зерносушилки, представленного участком t₂ t ₃ графика 1 (рис. 2). Характерной особенностью является изменение температуры около ее заданного значения с некоторой амплитудой.

При отклонении температуры от заданной в любую  сторону автоматический регулятор вырабатывает управляющее воздействие такого значения, которое нейтрализует это отклонение. Следовательно, изменение управляемого (выходного) параметра объекта передается обратно на вход так, что автоматический регулятор нейтрализует возникающие отклонения управляемого параметра от заданного значения. Значит, главная обратная связь является отрицательной.

  Для устранения автоколебаний температуры  достаточно использовать в системе автоматизации местную обратную связь (корректирующее устройство). Корректирующие устройства обычно служат для улучшения основного процесса работы системы автоматизации, повышения его устойчивости и точности, уменьшения ошибок и запаздывания. В данной системе автоматизации обратная связь вводится путем соединения ротора двигателя через его передаточный механизм с ползунком резистора 5. Ползунок резистора R_oc переменного сопротивления соединяется механической связью, например, с выходным органом передаточного механизма электродвигателя и перемещается синхронно вращению ротора электродвигателя. Это соответствует передаче выходного сигнала ротора двигателя (передаточного механизма) обратно на измерительный мост, т. е. на вход одного из функциональных элементов автоматического регулятора.

    После использования корректирующего  устройства система автоматизации  работает следующим образом. Пусть  в момент пуска зерносушилки температура  на ее входе соответствует значению Θ₁ Следовательно, мост разбалансирован, возникает электрический сигнал определенной полярности в диагонали ab измерительного моста и ротор двигателя поворачивается в направлении увеличения притока горячего воздуха. Одновременно перемещается ползунок резистора 5 и изменяется его сопротивление.

    Равновесие  измерительного моста наступает  раньше, чем при отсутствии местной  обратной связи. Следовательно, быстрее  протекает переходный процесс в  зерносушилке и быстрее устанавливается заданный тепловой режим сушки материала. Ротор электродвигателя останавливается раньше достижения задание го значения температуры. Переходный процесс прекращается тот момент, когда разность температур Θ_i - Θ₀ (Θ_i - текущее значение температуры) станет меньше зоны нечувствительности автоматического регулятора. График изменения температуры во времени (рис. 2.4) соответствует кривой 2.

    Введение  в систему автоматизации корректирующего  устройства возвращает некоторую часть выходного сигнала передаточного механизма электродвигателя на ползунок резистора R_oc измерительного моста. Сигнал возврата действует внутри автоматического регулятора. Поэтому введенная обратная связь является местной.

    Сравнивая оба варианта работы зерносушилки путем  сопоставления двух графиков на рис. 2, видим, что местная обратная связь действительно улучшает качество процесса сушки. Так, в первом варианте, т. е. без местной обратной связи, при значительном амплитудном отклонении температуры от заданного значения возникает значительное увеличение температуры в течение некоторого времени. В связи с этим возможен перегрев зерна. В другом варианте температура меньше заданной и возможно недосыхание зерна.

    Совершенно  по-иному протекает процесс сушки  после введения местной обратной связи. Температура теплоносителя поддерживается постоянной с небольшим отклонением от заданного значения. Зерно равномерно высушивается и исключается возможность его перегрева.

    Чтобы установить, отрицательной или положительной  является местная обратная связь в автоматическом регуляторе, необходимо провести анализ работы зерносушилки после введения корректирующего устройства. Например, в качестве терморезистора используется полупроводниковый термистор, сопротивление которого с ростом температуры изменяется согласно графику на рис. 3.   

Рис. 3. Зависимость сопротивления термистора от температуры 

    Одновременно  с изменением отклонения ∆Θ автоматический регулятор вырабатывает адекватное этому отклонению управляющее воздействие и(t), которое обеспечивает, действуя на заслонку, подачу необходимого количества тепловой энергии в зерносушилку и стабилизацию нарушенного равновесного состояния. Сигнал, адекватный ∆Θ, проходит по каналу главной обратной связи, а часть его возвращается в измерительный мост, который достаточно быстро уравновешивается. Это стабилизирует режим работы зерносушилки путем нейтрализации отклонения температуры от ее заданного значения.

    Из  проведенного анализа работы системы  автоматизации с корректирующим устройством следует, что местная  обратная связь отрицательная. Наряду с этим местная обратная связь  является жесткой, так как действует в неустановившемся и в установившемся режимах работы зерносушилки.

Схемы систем автоматизации

       Проектирование систем автоматизации  выполняется в зависимости от  сложности объектов в одну  или две стадии, в обоих случаях  наряду с другими материалами  строят структурные, функциональные, принципиальные схемы, монтажные  чертежи, схемы соединении.

    При разработке проекта автоматизации  и первую очередь решаются вопросы  выбора структуры управления. Под  структурой управления понимается совокупность автоматической системы, на которые  она может быть разделена по определенному  признаку, а также пути передачи пo воздействий между ними. Графическое изображение структуры управления объектом называется структурной схемой.

       Выбор структуры управления объектом  автоматизации оказывает существенное  влияние на режим работы, снижение  относительной стоимости системы  управления се надежности и  т. д.

       В самом общем виде структурная  схема споем автоматизации может  быть представлена. Система автоматизации  состоит из объекта автоматизации  и системы управления объектом. В одной системе автоматизации  системой управления является  автоматический регулятор, в другой  два автоматических регулятора. Благодаря определенному взаимодействию  между объектом и системой  управления в каждом случае  система автоматизации обеспечивает  требуемый результат функционирования  каждого объекта, характеризующийся  управляемыми параметрами х((). Структурная схема в общем виде может быть конструктивно детализирована, т. е. раскрыта с точки зрения наличия в конструкции автоматического регулятора элементов функциональной структуры, и изображаться в развернутом виде.

       Построение развернутой структурной  схемы автоматизации сводится  к выделению из автоматического  регулятора элементов по соответствующим  функциональным признакам, определению  физической природы их входных  и выходных параметров, условному  графическому обозначению элементов  с указанием направления передачи  сигнала от одного элемента  к другому.

    Один  из элементов функциональной структуры  автоматического регулятора, называемый сравнивающим, изображается в виде окружности с секторами внутри, а  все остальные элементы прямоугольниками. Существующие связи между элементами функциональной структуры обозначаются линиями со стрелками, которые соответствуют  направлению прохождения сигнала. Внутреннее содержание каждого элемента не конкретизируется. Однако каждый элемент  обозначается буквенным кодом, в  котором используются первые буквы  названия функционального элемента.

       Примером развернутой структурной  схемы автоматизации, построенной  применительно к САР температуры в шахтной зерносушилке, может служить схема, изображенная на рис. 2.6, а также другие схемы, представленные на рис.

    Рис. 4. Структурная схема САР температуры  в шахтной зерносушилке в развернутом  виде; ОР - объект регулирования (шахтная  зерносушилка); ЧЭ - чувствительный элемент (терморезистор); СЭ - сравнивающий элемент (измерительный мост); ЗЭ - задающий элемент (резистор переменного сопротивления  Я3); УО - усилительный орган (усилитель  мощности); ИМ - исполнительный механизм (электродвигатель с передаточным устройством  и цепью управления); РО - регулирующий орган (заслонка); КЭ - корректирующий элемент, обеспечивающий перемещение ползунка резистора Roc (местная обратная связь) 

        Развернутая структурная схема  наглядно отображает обратные  связи в указанной системе  автоматизации. Началом главной  обратной связи является сигнал, пропорциональный температуре теплоносителя  в зерносушилке 9 (рис. 2.6). Далее л проходит через все элементы автоматического регулятора в объект регулирования в виде управляющего воздействия u(t),- вырабатываемого автоматическим регулятором. Управляющее воздействие определяет положение заслонки п соответственно количество теплоты Q, поступающем в зерносушилку.

       Местная обратная связь действует  внутри автоматического регулятора, охватывая несколько элементов  функциональной структуры. Началом  обратной связи является входной  сигнал сравнивающего элемента. Этот сигнал проходит через  соответствующие элементы и возвращается  в сравнивающий элемент в виде  изменения сопротивления.