2. Классификация технических систем управления

Технические САУ можно классифицировать по ряду основных признаков. Рассмотрим их.

1. По степени автоматизации функций управления:

- системы ручного управления (человек-оператор вырабатывает и реализует стратегию управления);

- системы автоматизированного управления (человеко-машинные САУ);

- системы автоматического управления (без участия человека).

2. По наличию существенных нелинейностей в САУ:

• линейные (линеаризованные);

• нелинейные.

В линейных САУ все звенья описываются линейными уравнениями. Линейные САУ классифицируют также по ряду дополнительных признаков:

- линейные системы с сосредоточенными параметрами, т. е. системы, в которых процессы описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями (ОДУ) с постоянными коэффициентами;

- линейные системы с распределенными параметрами, т. е. системы, динамика которых описывается дифференциальными уравнениями в частных производных;

- линейные системы с переменными параметрами, т. е. системы, в которых хотя бы один параметр изменяется во времени;

- линейные системы с запаздыванием, т. е. системы, в которых присутствует хотя бы одно звено с чистым (транспортным) запаздыванием.

В нелинейных САУ присутствует хотя бы одно звено, описываемое нелинейным уравнением. Это может быть нелинейная статическая характеристика звена или нелинейность иного вида, такая как произведение переменных, квадратный корень, степенная функция координат системы и др.

Нелинейные САУ, так же как и линейные, могут быть с сосредоточенными параметрами, с распределенными параметрами, с переменными коэффициентами, с запаздыванием.

3. По характеру протекания процессов в САУ и, соответственно, форме математического описания:

- непрерывные (аналоговые);

- дискретные (релейные, импульсные, цифровые);

- дискретно-непрерывные, в том числе цифро-аналоговые.

В непрерывных САУ для всех звеньях непрерывному во времени входному сигналу соответствует непрерывный во времени выходной сигнал. Непрерывные САУ описываются с помощью дифференциальных уравнений. Для описания линейных непрерывных САУ применяют, как правило, аппарат ОДУ, передаточных функций (ПФ) или аппарат линейных векторно-матричных уравнений (ВМУ).

В дискретных и дискретно-непрерывных САУ хотя бы для одного звена непрерывному во времени входному сигналу соответствует дискретный во времени выходной сигнал (со ступенчатой или импульсной формой). Для описания дискретных САУ, содержащих исключительно дискретные звенья, применяют разностные уравнения. Для описания линейных дискретных САУ применяют, кроме того, аппарат дискретных передаточных функций (ДПФ), основанный на Z-преобразовании сигналов, или аппарат дискретных векторно-матричных уравнений (ДВМУ). Для описания дискретно-непрерывных САУ применяют сочетание методов описания линейных и дискретных систем.

4. По типу обратных или компенсирующих связей систем регулирования и управления:

- разомкнутые (без обратных связей);

- замкнутые:

- по ошибке регулирования (с регулированием по отклонению выходной координаты от заданного значения);

- по возмущающему воздействию (с регулированием по возмущению);

- по ошибке регулирования и возмущающему воздействию (с комбинированным регулированием).

На рис. 2.1 приведены обобщенные функциональные схемы разомкнутой и замкнутых САР.

Рис. 2.1 Обобщенные функциональные схемы разомкнутой САР (а)

и замкнутых САР (б-г)

Обозначения:

ОР, УР – соответственно объект и устройство регулирования;

x_з(t), z(t) – соответственно задающее и возмущающее воздействия;

x(t) – выходная (регулируемая) координата ОР;

и_у(t) – управляющее воздействие.

Алгоритм регулирования разомкнутой САР (см. рис. 2.1а) можно представить в виде

. (2.1)

Чаще всего оператор f_у устанавливает пропорциональную зависимость между x_з(t) и u_у(t). Алгоритм (2.1) эффективен лишь при незначительном влиянии возмущающего воздействия z(t) на ОУ и стабильности параметров ОР и УР.

Алгоритм регулирования по отклонению выходной координаты от заданного значения (см. рис. 2.1б) можно представить в виде

, (2.2)

где - ошибка регулирования,

. (2.3)

Поскольку ведется контроль непосредственно регулируемой координаты, алгоритм регулирования (2.2) эффективен как при изменении задающего, так и возмущающего воздействия. Вместе с тем, принцип регулирования по отклонению имеет ряд существенных недостатков:

1. “медлительность” отработки изменения возмущающего воздействия, т. к. система должна “почувствовать” его изменение через изменение выходной координаты;

2. уменьшение коэффициента усиления замкнутой системе по отношению к коэффициенту усиления разомкнутой САР (см. гл. 4.2);

3. возможность возникновения колебаний и даже неработоспособность (неустойчивость) замкнутой САР (см. гл. 7).

Алгоритм регулирования замкнутой по возмущению САР (см. рис 2.1в) имеет вид

. (2.4)

Алгоритм регулирования (2.4) обеспечивает компенсацию изменения возмущающего воздействия z(t), однако отсутствие текущего контроля выходной координаты x(t) не всегда обеспечивает необходимую точность отработки задающего воздействия. Отсюда основное назначение таких САР - стабилизация регулируемой координаты в условиях действия возмущения z(t). Заметим, что для реализации таких САР должна иметься возможность измерения или оценки величины возмущающего воздействия.

Алгоритм комбинированного регулирования (см. рис. 2.1г) можно представить в виде

. (2.5)

Данная САР является наиболее эффективной и обладает преимуществами обеих предыдущих систем, однако требует измерения и выходной координаты, и возмущающего воздействия.

Обратные связи по координатам ОУ и возмущений внешней среды подразделяют на отрицательные и положительные, жесткие и гибкие.

В подавляющем большинстве технических приложений обратные связи направлены на стабилизацию показателей качества САУ и являются отрицательными. Положительные обратные связи обычно применяют для компенсации нежелательного влияния тех или иных переменных на качество САУ или придания системе свойств инвариантности по отношению к возмущающим воздействиям.

Жесткие обратные связи действуют как в динамических, так и статических (установившихся) режимах. Гибкие обратные связи действуют только в динамических режимах и предполагают наличие дифференцирующих устройств.

Б ольшинство реальных систем управления функционируют в условиях воздействия некоторого множества задающих и возмущающих воздействий. В этом случае для функционирования УУ требуется контролировать векторы переменных (координат состояния) ОУ и возмущений внешней среды. Само УУ в этом случае либо содержит несколько простых (типовых) регуляторов координат ОУ, либо один регулятор всего состояния системы. Функциональная схема такой САУ приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2 Функциональная схема САУ

с векторным регулятором состояния

5. По принципу управления (характеру задач управления):

- системы стабилизации;

- системы программного управления;

- следящие системы и системы воспроизведения движений.

В системах стабилизации алгоритм управления призван обеспечить стабилизацию отработки достаточно длительно действующего постоянного задающего воздействия, однако, в общем случае, изменяющегося в некотором диапазоне. В системах промышленной автоматики системы, обеспечивающие стабилизацию технологических координат на заданном уровне, т. е. являются наиболее распространенными.

Системы программного управления предназначены для отработки с заданной динамической точностью задающего воздействия, изменяемого во времени или в функции иных технологических координат ОУ, закон изменения которых заранее известен. Наиболее часто задающее воздействие является программно-временным, т. е. . Характерной особенностью таких систем является функционирование в режиме не только малых, но и больших отклонений координат. В последнем случае координаты САУ могут превысить допустимые по условиям эксплуатации объекта значения, а, следовательно, необходимо принять меры по ограничению этих координат на допустимом уровне.

Следящие системы управления предназначены для отработки задающего воздействия в функции какой-либо переменной ОУ, закон изменения которой заранее неизвестен, т. е. Характерным примером такой САУ является система слежения радиотелескопа за положением в пространстве летящего воздушного объекта. Следящие системы применяют также для дистанционной передачи показаний измерительных приборов, для формирования и дистанционной передачи управляющего воздействия следящих электроприводов на основе измерительно-преобразовательного модуля “сельсинная пара” и др. Системы воспроизведения движений структурно схожи со следящими САУ, однако задающими воздействиями могут быть не только пространственные координаты объекта, но и линейные или угловые скорости и ускорения изделий техники (деталей и агрегатов автомобилей, самолетов, ракет и др.), испытуемых на специализированных стендах.

6. По признаку усиления мощности сигнала управления:

- САУ прямого действия (управляющее воздействие на ОУ не подвергается усилению);

- САУ непрямого действия (управляющее воздействие на ОУ предварительно усиливается с помощью силового преобразователя энергии).

К САУ прямого действия относят простейшие системы регулирования, например, уровня воды в сливном бачке унитаза, температуры “подошвы” утюга и т. п. В САР непрямого действия для усиления сигнала управления объектом применяют электромеханические, гидромеханические, пневмомеханические, электротермические и иные преобразователи энергии.

7. По степени определенности:

- детерминированные (вполне определенные) САУ; большинство промышленных локальных систем управления относят именно к этому классу; к числу достаточно сложных детерминированных систем можно отнести, например, АСУТП с ЭВМ в контуре управления (при исследовании САУ часто необходимо учитывать процессы дискретизации по времени и уровню, адаптацию САУ к изменению параметров объекта управления, коррекцию уставок локальных систем и др.);

- стохастические (вероятностные) САУ, в которых можно лишь предсказать вероятность возможного изменения вектора состояния системы; к числу таких систем относятся производственные предприятия, экспертные системы, геофизические системы, системы навигации и радиолокации и т. п.

8. По степени изменчивости и адаптации САУ к изменению параметров:

- стационарные и квазистационарные САУ, не требующие адаптации; параметры ОУ таких САУ неизменны или изменяются в незначительных пределах;

- нестационарные САУ с низкой чувствительностью к изменению параметров ОУ (с реализацией больших коэффициентов усиления и скользящих режимов);

- робастные САУ (с низкой чувствительностью к изменению параметров ОУ, возмущений внешней среды, шумов датчиков и др.);

- нестационарные адаптивные САУ:

- с сигнальной самонастройкой;

- с параметрической самонастройкой;

- самоорганизующиеся САУ (с изменением не только параметров, но и структуры УУ) и самообучающиеся, в том числе на основе нейронных технологий.

9. По числу и связности каналов управления:

- одномерные (со скалярным управлением) и многомерные (с векторным управлением) САУ;

- одно- и многосвязные (с автономными и неавтономными каналами управления) САУ.

10. По свойствам САУ в установившихся режимах:

- статические системы, характеризующиеся наличием ненулевой установившейся ошибки регулирования выходной переменной при постоянном задающем и возмущающем воздействии;

- астатические системы, характеризующиеся нулевой установившейся ошибкой регулирования выходной переменной при постоянном задающем и возмущающем воздействии.

Рассмотренная классификация, безусловно, не претендует на полноту представления применяемых на практике САУ, однако в достаточной степени отражает многообразие признаков систем управления и, соответственно, подходов к их исследованию. Отметим только, что сложные автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) классифицируют также по целому ряду функционально-структурных признаков, определяющих их архитектуру (топологию), и применяемых программно-аппаратурных средств управления: централизованные и распределенные, одноуровневые локальные и многоуровневые иерархические, с архитектурой “файл-сервер” и “клиент-сервер”, специализированные и универсальные с открытой архитектурой т. п.