1.2.Принципы управления.

Зная статические и динамические свойства управления системы, можно построить математическую модель системы и найти такой алгоритм управления, который обеспечивает заданный алгоритм функционирования при известных, заданных воздействиях.

В основе построения системы автоматического управления лежат некоторые, общие для всех систем, принципы управления. В настоящее время в технике известны и используются три основных принципа: разомкнутого управления, компенсации и обратной связи.

1.2.1.Принцип разомкнутого управления.

Сущность принципа состоит в том, что алгоритм управления вырабатывается только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируется другими факторами. Общая функциональная схема такой системы показана на рис.1.2.1. Близость выходной координаты (Y) и заданной (X₀) в разомкнутых системах обеспечивается только конструкцией объекта управления и подбором физических закономерностей.

Функциональная схема (рис.1.2.1.) состоит из функциональных элементов и показывает целенаправленную взаимосвязь между этими элементами, воздействиями и координатами системы.

Функциональный элемент представляет конструктивно обособленную часть системы автоматического управления (САУ), выполняющую определенные функции. На вход системы подается задающее воздействие (X₀), которое преобразуется управляющим устройством (УУ) в управляющее воздействие (X). Под действием управления изменяется состояние объекта управления (ОУ), характеризуемое координатой (выходной величиной) (Y). Наличие возмущающих воздействий (Z) приводит к тому, что действительное значение управляемой координаты (Y) отличается от желаемого, т.е. появляется ошибка, которая может быть достаточно велика.

Z

X₀ X Y

Рис.1.2.1. Принцип разомкнутого управления

1.2.2.Принцип компенсации (управление по возмущению).

Если возмущающие воздействия настолько велики, что разомкнутая цепь не обеспечивает требуемой точности выполнения алгоритма функционирования, то для повышения точности иногда возможно, измерив возмущения, ввести по результатам измерения коррективы в алгоритм управления.

Сущность принципа управления по возмущению (принципа Понселе) состоит в том, что измеренное возмущение преобразуется в воздействие, подаваемое на управляющее устройства. Управляющее воздействие (X) формируется теперь с учетом возмущающего воздействия и подается на вход объекта управления с целью компенсации (предотвращения) влияния данного возмущения на регулируемую величину рис.1.2.2.

Z

X Y

X₀

Рис.1.2.2. Принцип управления по возмущению

1.2.3.Принцип обратной связи. Управление по отклонению.

Характеризуется тем, что управляющее воздействие формируется с учетом действительного хода процесса при помощи устройств обратной связи. Информация о состоянии координат объекта (Y) по каналам обратной связи поступает на вход управляющего устройства (УУ) где сравнивается с заданием (X₀). В результате вырабатывается сигнал (X) зависящий от отклонения выходной координаты (Y), рис.1.2.3.

Данный принцип позволяет осуществить заданный закон управления независимо от возникающих возмущающих факторов (Z).

Z

X₀ X Y

Рис.1.2.3. Принцип управления по отклонению.

Универсальность принципа обратной связи подчеркивается и тем, что он позволяет управлять объектами с разными динамическими свойствами, в частности неустойчивыми.

1.2.4.При регулировании по отклонению влияние возмущающих воздействий (Z) на точность работы системы благодаря наличию обратной связи по регулируемой величине в значительной мере ослабляется, но не устраняется.

Улучшение качества работы системы управления при возмущающих воздействиях может быть достигнуто применением комбинированного управления (рис.1.2.4.). В таких системах на вход управляющего устройства, помимо задающего сигнала (X₀) и сигнала обратной связи (Y), поступает сигнал, получаемый путем измерения возмущающих воздействий (Z). Обычно в комбинированных системах измеряется лишь основное возмущение (Z_і). Влияние остальных возмущений учитывается по цепи обратной связи. Комбинированное управление сочетает принципы управления по отклонению и по возмущению.

Z

X₀ X Y

Рис.1.2.4. Комбинированное управление.

1.3.Управляющее устройство совместно с регулирующими обратными связями образуют регулятор. Совокупность объекта управления и регулятора представляет систему автоматического регулирования (САР).

Обратные связи САР способствуют формированию статических и динамических характеристик системы. Эти характеристики определяются назначением САР и требованиями, предъявляемыми к ней со стороны технологического процесса. Система автоматического регулирования должна иметь хотя бы одну обратную связь, служащую для сравнения действительного и заданного значений регулируемой координаты. Такая обратная связь называется главной. Она соединяет выход системы с ее входом, охватывая все основные элементы. Системы, имеющие одну главную обратную связь, называют одноконтурными. Некоторые САР, помимо главных обратных связей, число которых определяется числом регулируемых величин, имеют еще несколько дополнительных (местных). Последние соединяют выход и вход одного или нескольких элементов системы. САР, имеющие, кроме главной, еще одну или несколько дополнительных обратных связей, называются многоконтурными.

В зависимости от характера передаваемого воздействия обратные связи делятся на жесткие и гибкие.

Жесткие обратные связи действуют как в установившемся, так и в переходном режимах системы. Средствами осуществления жестких обратных связей являются различные измерительные устройства (датчики), передающие сигналы на узел сравнения. В некоторых случаях для усиления передаваемого сигнала между датчиком и узлом сравнения устанавливается усилитель.

Гибкие обратные связи действуют только в период переходного процесса. В установившемся режиме их действие прекращается. Они передают воздействия, являющиеся производными или интегралами величин, меняющихся во времени, с целью корректирования переходного процесса в нужном направлении. Для осуществления гибких обратных связей используются устройства дифференцирования и интегрирования в сочетании с усилителями или без них.

По оказываемому на систему действию обратные связи делятся на положительные и отрицательные. Обратная связь называется положительной, если с увеличением сигнала на выходе управляющий сигнал на входе увеличивается, и отрицательной, если он при этом уменьшается. Главная обратная связь преимущественно выполняется отрицательной.

Замкнутые САУ делятся так же на системы с одной регулируемой координатой и несколькими регулируемыми координатами. Системы, в которых регулируются несколько координат, связанных друг с другом через объект, регулятор или нагрузку, называют многомерными или многосвязными.

Многосвязная система с несколькими регулируемыми координатами характеризуется тем, что изменение какой-либо одной из них влечет за собой изменение других, данные системы отличаются наличием связей между регулируемыми координатами, обусловленными физическими свойствами управляемого объекта. Так, например, увеличение скорости синхронного генератора приводит одновременно к увеличению напряжения и частоты переменного тока. Примером многосвязной системы может, также, служить система управления листовым прокатным станом, в котором регулируется толщина проката на выходе и натяжение полосы.

1.4.Основные виды автоматического управления.

На первом этапе развития техники управления использовался практически лишь один вид автоматического управления – поддержание заданного постоянного значения регулируемой величины. Долгое время под системами автоматического регулирования понимался именно этот вид. Впоследствии число видов увеличилось, и вполне вероятно, что упоминаемые ниже шесть основных видов не исчерпывают не только возможные виды в будущем, но и существующие сегодня.

1.4.1.Стабилизация. Системы поддержания постоянства управляемой величины называют системами стабилизации. Желаемый закон в них имеет вид . Примером может служить система автоматического поддержания скорости двигателя. Системы автоматической стабилизации широко применяются в производственных установках для поддержания постоянства различных величин: напряжения, тока, мощности, скорости, ускорения, давления, температуры, заданного курса, различного рода соотношений и пропорций.

1.4.2.Программное управление. При программном управлении алгоритм функционирования задан и можно построить специальное устройство – контроллер, вырабатывающее . Программное управление можно осуществить по любому из фундаментальных принципов или с помощью их комбинации.

В практике используют два вида систем программного управления: системы с временной программой и системы с пространственной программой.

1.4.3.Следящие системы. В следящих системах алгоритм функционирования заранее не известен. Обычно регулируемая величина в таких системах должна воспроизводить изменение некоторого внешнего фактора, следить за ним.

Следящая система может быть выполнена в соответствии с любым фундаментальным принципом управления и будет отличаться от соответствующей системы программного управления тем, что вместо датчика программы (контроллера), в ней будет помещено устройство слежения за изменениями внешнего фактора.

1.4.4.Системы с поиском экстремума показателя качества.В ряде процессов показатель качества или эффективности процесса может быть выражен в каждый момент времени функцией текущих координат системы, и управление можно считать оптимальным, если оно обеспечивает поддержание этого показателя в точке максимума, например настройку радиоприемника на частоту передающей станции по наибольшей громкости или чистоте звучания. Такое управление обладает одной нежелательной особенностью: когда точка настройки под воздействием различных возмущений окажется смещенной от экстремума, неизвестно, в каком направлении следует воздействовать на регулирующий орган, чтобы вернуть ее к экстремуму. Поэтому экстремальное управление начинают с поиска: сначала выполняют небольшие пробные “движения” в каком-то выбранном направлении, затем анализируют реакцию системы на эти пробы и после этого по результатам анализа вырабатывают управляющее воздействие в виде импульса, приближающего систему к экстремуму.

Первые упоминания в литературе об экстремальных регуляторах содержатся, по-видимому, в статье М. Леблана (1922), где описан регулятор для колебательного контура электропоезда, и в 1926г. в книге Т. Штейна, где высказывалась идея регулирования топки парового котла по минимуму потерь в дымовой трубе.

Если в рабочей области системы существуют несколько локальных экстремумов, то упомянутые методы позволяют обнаружить лишь один из локальных экстремумов, именно тот, в окрестности которого оказалась исходная точка поиска. Для нахождения глобального экстремума, если априорной информации об его окрестности нет, приходится просматривать всю рабочую область, выявляя все локальные экстремумы и сравнивая их между собой. Поскольку в системах экстремального управления измеряется значение управляемой величины, они относятся к классу систем управления по замкнутому контуру.

1.4.5.Оптимальное управление. Оптимальное управление в последние годы начали применять как в технических системах для повышения эффективности производственных процессов, так и в системах организационного управления для совершенствования деятельности предприятия, организаций, отраслей хозяйства.

В организационных системах обычно интересуются конечным, установившемся результатом команды, не исследуя эффективности во время переходного процесса между отдачей команды и получением окончательного результата.

В управлении динамическими техническими системами оптимизация часто существенна именно для переходных процессов, в которых показатель эффективности зависит не только от текущих значений координат (как в экстремальном управлении), но и от характера изменения в прошлом, настоящем и будущем, и выражается некоторым функционалом от координат, их производных и, может быть времени.

В качестве примера можно привести управление энергозатратами во время бега спортсмена на дистанции. Так как его запас энергии ограничен физиологическими факторами, а расходование запаса зависит от характера бега, спортсмен уже не может в каждый момент отдавать максимум возможной мощности, чтобы не израсходовать запас энергии преждевременно и не выдохнуться на дистанции, а должен искать оптимальный для своих особенностей режим бега.

1.4.6.Адаптивные системы. В реальных условиях внешние возмущения иногда приводят к изменению не только координат, но и параметров системы (коэффициентов уравнений). Изменения параметров, вышедшие за определенные границы, приводят не только к количественным ошибкам или ухудшению других показателей качества системы, но зачастую и к полной потере ее работоспособности. Эти потери качества часто невозможно устранить, находясь в рамках первоначально принятого принципа управления, это можно сделать лишь путем изменения параметров (а иногда и структуры) системы так, чтобы приблизить математическое описание претерпевшей изменения системы к ее исходной модели.

Системы, автоматически изменяющие значение своих параметров или структур при непредвиденных изменениях внешних условий на основании анализа состояния или поведения системы так, чтобы сохранялось заданное качество ее работы, называют адаптивными системами (от лат.adaptio- приспособление). Термин заимствован из биологии, где адаптацией называют приспособление организма к изменяющейся среде с целью сохранения жизнедеятельности.

Адаптивные системы с изменением значений параметров иногда называют самонастраивающимися, а системы с изменением структуры и алгоритма управления - самоорганизующимися.