Автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в которой управляющее (регулирующее) воздействие вырабатывается в результате сравнения истинного значения управляемой (регулируемой) величины с заданным ее значением, называется автоматической системой регулирования (АСР). Очевидно, что в замкнутой АСР имеется полная взаимозависимость работы всех элементов системы друг от друга.
Современные АСР представляют собой сложные комплексы взаимодействующих друг с другом технических устройств и элементов, которые работают на различных физических принципах (механических, электрических, гидравлических, пневматических) и обладают различным конструктивным выполнением и техническими характеристиками. Физическая природа регулируемой величины, устройство и назначение объекта регулирования также могут быть различные.
При изучении теории автоматического регулирования основное внимание уделяется не техническим свойствам отдельных элементов, а функциям, выполняемым ими в АСР, характеру связей между ними, математическому описанию происходящих в них физических процессов. Наглядное представление об этом дают функциональные и структурные схемы АСР.
Функциональные схемы АСР отражают взаимодействие устройств, узлов и элементов автоматики в процессе их работы. Графически отдельные элементы (части) АСР изображают в виде прямоугольников, образующих последовательную замкнутую цепь: выходная величина предшествующего элемента служит входной величиной последующего. Все элементы АСР обладают однонаправленностью действия: они воздействуют лишь на последующий элемент системы. Например, температура объекта регулирования определяет сопротивление термометра, измеряющего эту температуру, но изменение его сопротивления не влияет на температуру объекта; регулируемая величина воздействует на измерительное устройство регулятора прямого действия, а измерительное устройство на регулируемую величину практически не влияет. Свойство направленности действия вызывают свойством детектирования, заключающимся в том, что сигнал проходит только от входа к выходу элемента, т.е. каждый последующий элемент не оказывает влияния на предыдущий.
Внутреннее содержание каждого элемента на функциональной схеме не конкретизируется, а функциональное значение обозначается условными буквенными символами. Под функцией каждого элемента понимают как основные функции автоматического регулирующего устройства (получение информации, ее переработка, формирование закона регулирования и т.п.), так и более узкие (передача сигналов, их сравнение, преобразование формы представления информации и др.).
Пути передачи воздействий между элементами АСР изображаются линиями со стрелками в направлении передачи воздействий. Простейшую составную часть АСР или автоматического устройства, отображающую путь и направление передачи воздействия между элементами автоматической системы, называют связью системы. Связь АСР, образуемая основной цепью воздействия между элементами (участками) этой цепи, называются основной связью. Участок цепи от точки приложения входного воздействия до точки съема выходного сигнала (в направлении распространения сигнала) называется прямой цепью.
Любая АСР должна иметь по крайней мере одну обратную связь, которая служит для сравнения действительного закона изменения регулируемого параметра управляемого технологического процесса с заданным законом. Такого рода обратная связь, направленная с выхода системы к ее входу, называется главной обратной связью.
Связь в АСР, образующая путь передачи воздействий в дополнение к основной цепи воздействий или какому-либо участку (параллельный контур, который охватывает один или несколько элементов основной цепи), называется дополнительной (местной) связью.
Дополнительная (местная) связь называется прямой, если проходящий по ней сигнал суммируется с основным сигналом на выходе группы элементов основной цепи, охваченных этой связью.
Дополнительная (местная) связь называется обратной, если приходящий по ней сигнал подается с выхода группы элементов основной цепи, охваченных этой связью, на их вход.
Обратная связь называется положительной, если проходящий по ней сигнал складывается с основным сигналом на входе группы элементов, охваченных этой связью и, отрицательной, если этот сигнал вычитается из основного сигнала.
Поскольку в АСР регулирующее воздействие образуется вследствие отклонения регулируемой величины (выход системы) от ее заданного значения (вход системы), то главная обратная связь всегда является отрицательной.
Обратная связь называется жесткой, если передаваемое этой связью воздействие зависит только от выходной величины (регулируемого параметра) и не зависит от времени. Обратная связь называется гибкой, если она действует только во время переходного процесса.
Суммирующие устройства на функциональных схемах изображают в виде окружности, разделенной внутри на четыре равных сектора. Сектор, на который подается величина с обратным (отрицательным) знаком, затемняют или перед соответствующим входом ставят знак «минус».
При исследованиях и расчетах АСР исходят из математического описания происходящих в них физических процессов. Обычно это описание бывает представлено в виде системы дифференциальных уравнений, которые выражают снизь между переменными величинами и их производными и определяют сущность происходящих в системе процессов независимо от принципов и действия, назначения и конструкции. Решив такое дифференциальное уравнение АСР, можно найти характер изменения регулируемой переменной в переходных и установившихся режимах при определенных задающих и возмущающих воздействиях.
Для упрощения задачи нахождения дифференциального уравнения АСР в целом исследуемую систему разбивают на отдельные части - звенья направленного действия, которые, как указывалось выше, обладают свойствами передачи сигнала только в одном направлении (от входа к выходу) и в которых переходные процессы описываются достаточно простыми дифференциальными уравнениями. Совокупность этих звеньев совместно с линиями связи, характеризующими их взаимодействие, образует структурную схему автоматической системы регулирования.
Таким образом, структурной схемой АСР называется графическое представление математической модели системы в соединении звеньев, в которой каждой математической операции преобразования сигнала соответствует определенное звено, условно обозначаемое в виде прямоугольника с указанием входных и выходных величин, а также уравнения или передаточной функции этого звена. Уравнение (передаточную функцию) записывают внутри или вне прямоугольника.
Суммирующие звенья изображаются так же, как и на функциональных схемах. Общим между функциональными и структурными схемами является то, что те и другие отражают процесс передачи и переработки информации в контуре автоматической системы регулирования. Однако между ними существует и четкое различие: функциональные схемы дают характеристику системы по составу входящих в нее элементов, которые рассматриваются с точки зрения их назначения, т.е. выполняемых ими функций; структурные схемы, состоящие из звеньев направленного действия, математически описывают динамические свойства системы.