Функциональная структура автоматической управляющей системы

Автоматические системы характеризуются наличием большого многообразия элементов. Однако, несмотря на различие, элементы в системе можно объединять в зависимости от выполняемых ими функций. Конструктивно обособленная часть автоматической системы, выполняющая определенную функцию, называется функциональным блоком.

Функциональная структура представляет собой совокупность функциональных блоков и связей между ними. Функциональной схемой (блок-схемой) называется графическое изображение функциональной структуры. В функциональной схеме может быть разнообразный набор функциональных блоков. В общем случае используются следующие виды функциональных блоков:

воспринимающий блок — функциональный блок автоматического управляющего устройства, принимающий контрольные или внешние воздействия;

задающий блок — функциональный блок автоматического управляющего устройства, фиксирующий предписания, соответствующие заданному алгоритму

Функциональная схема автоматической системы

управления, предназначенный для установления необходимого значения управляемой величины;

управляющий блок — функциональный блок автоматического управляющего устройства, вырабатывающий воздействие на исполнительный блок в соответствии с алгоритмом управления;

исполнительный блок — функциональный блок автоматического управляющего устройства, осуществляющий выработку управляющих воздействий;

сравнивающий блок — функциональный блок, реализующий сопоставление значений управляемой и заданной величин, т. е. вырабатывающий отклонение управляемой величины от ее заданного значения.

Функциональная схема служит для представления принципа действия автоматической системы. По ней можно относительно просто составить принципиальную схему системы. Направление воздействий одного блока на другой показывается на функциональной схеме стрелками. Из схемы следует, что автоматическая система обладает свойством однонаправленности. Это свойство система приобретает при наличии хотя бы одного однонаправленного блока или элемента. Однонаправленность — это свойство последующих элементов не оказывать обратного действия на предыдущие.

Классификация систем автоматического управления

Классификация автоматических систем по характеру алгоритма управления. К определяющим признакам автоматической системы относят алгоритм управления и функционирования, самоприспосабливаемость, тип оператора системы и (зачастую) характер ее действия. В основу классификации по характеру алгоритма управления положены принципы управления.

Автоматическая система с разомкнутой цепью воздействий. В этих системах заложен принцип управления по внешнему воздействию. Так как определяющими внешними воздействиями считаются задающие х_g и возмущающие x_f, то обычно выделяются здесь 2 вида систем: системы с управлением по задающему воздействию и системы с управлением по возмущающему воздействию. В обоих случаях автоматическая система не реагирует на результат своего действия (т. е. х_вых), поэтому контрольное воздействие х_к, поступающее по цепи обратной связи, отсутствует.

Система с управлением по возмущению основана на принципе компенсации возмущений в УО за счет соответствующей выработки управляющих воздействий х_у. Управляющее воздействие в свою очередь вырабатывается в зависимости от результатов изме­рения возмущения х_f :

х_у = х_у (х_f ).

Данная система отрабатывает управляющее воздействие лишь на определенное возмущение, когда появление его новых форм не предусматривается.

Система с управлением по задающему воздействию используется в случае независимости состояния объекта от внешних случайных факторов (х₍) при необходимости изменения этого состояния по предписанным алгоритмам. Поэтому алгоритм управления строится здесь на основе алгоритма функционирования, т. е. управ­ляющее воздействие является функцией задающего:

х_у = х_у (х_g ).

Отличительная особенность автоматической системы с разомкнутой цепью воздействий состоит в том, что входными воздействиями управляющего устройства являются только внешние воздействия.

Автоматическая система с замкнутой цепью воздействий. В этих системах заложен принцип управления по отклонению (рассогласованию). Поэтому в них имеется блок, вырабатывающий отклонение управляемой величины х_вых от предписанной x_g:

х = х_g –х_вых ,

что представляет собой ошибку управления. Данная система предусматривает сравнение действительного значения управляемой величины х_ъых с предписанным x_g, и ее управляющее воздействие является функцией отклонения х:

х_у = х_у (х )

Отличительная особенность автоматической системы с замкнутой цепью воздействий состоит в том, что входными воздействиями для управляющего устройства являются как внешние, так и контрольные воздействия. Такая автоматическая система реагирует на результат своего действия через замкнутый контур.

Автоматическая система с комбинированной цепью воздействий. Этот тип систем основан на комбинации предыдущих. Здесь возможна реализация системы с управлением по возмущению и отклонению, с управлением по задающему

Классификация автоматических систем по характеру алгоритма управления

Автоматическая система с разомкнутой цепью воздействий

Автоматическая система с замкнутой цепью воздействий

Автоматическая система с комбинированной цепью воздействий

Классификация автоматических систем по характеру алгоритма функционирования

воздействию и отклонению и с управлением по возмущающему, задающему воздействиям и отклонению. В первом случае управляющее воздействие является функцией возмущающего и отклонения:

x_у=x_у (x_f, х);

во втором — функцией задающего и отклонения:

x_у=x_у (x_g, х);

в третьем — функцией возмущающего, задающего и отклонения:

x_у=x_у (x_f, x_g, х).

Классификация автоматических систем по характеру алгоритма функционирования. По характеру алгоритма функционирования автоматические системы делятся на стабилизирующие, программные и следящие. Принципиально эти системы отличаются лишь способом реализации задающих воздействий.

Стабилизирующая автоматическая система. Алгоритм функционирования данной системы содержит предписание поддерживать управляемую величину на постоянном уровне х_вых = const. Следовательно, для этой системы x_g=const. На схеме все блоки автоматической системы (ВБ, СБ, УБ, ИБ, УО) остаются неизменны для любого типа системы, за исключением задающего (ЗБ), который для стабилизирующей системы реализует x_g = const.

Программная автоматическая система. Алгоритм функционирования данной системы содержит предписание изменять управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией. Программы подразделяются на временные х_g=х_g(t) и параметрические (координатные) x_g =x_g (s₁,s₂, ..., s_n) (где Si — физические величины, характеризующие состояние управляемого объекта). Примером первой программы может служить заданная величина, снимаемая с профилированного кулачка, приводимого во вращение двигателем. Примером второй программы может

Схема системы с различными видами алгоритмов функционирования

служить заданная величина крена кузова высокоскоростного экипажа в кривой, нанесенная на путевой или экипажный программоноситель, в функции от пройденного экипажем пути по отношению к кривой.

Следящая автоматическая система. Алгоритм функционирования данной системы содержит предписание изменять управляемую величину в зависимости от значения неизвестной заранее переменной величины на входе автоматической системы. Выходная величина должна быть поставлена в соответствии с входной, т. е. «следить» за последней. Для этой цели в следящей системе имеется устройство слежения за изменением входной величины. В рассматриваемом примере в качестве входной величины может выступать, например, давление, а если УО — пассажирское помещение, то влажность, и т. п. В системе управления положением ходовых частей в рельсовой колее при скоростном проходе кривых в качестве входных величин могут быть приняты кривизна пути и его наклон (возвышение наружного рельса).

Классификация автоматических систем по самоприспосабливанию. Различают системы без самоприспосабливания и самоприспосабливающиеся системы. Самоприспосабливающаяся система имеет дополнительное автоматическое устройство, изменяющее алгоритм управления основного автоматического управляющего устройства таким образом, чтобы автоматическая система в целом осуществляла заданный алгоритм функционирования. Самонастраивающиеся системы подразделяются на системы с разомкнутой цепью самонастройки, с моделью, с анализом процесса управления, экстремальные и т. п.

Классификация автоматических систем по типу оператора системы. Автоматические системы, имеющие один выход, называются одномерными, несколько выходов — многомерными. Формально векторное или матричное представление переменных дает возможность многомерную систему представить одномерной. Каждой комбинации входных функций детерминиро­ванная автоматическая система ставит в соответствие некоторую единственную комбинацию выходных. Закон, определяющий выходные функции по заданным входным, называется оператором.

Функциональная схема самонастраивающейся автоматической системы:

БАВ - блок анализа выходного воздействия;

БАО – блок анализа объекта;

БВ – блок вычислений;

БС – блок самонастройки;

Хс – воздействие самонастройки

Схематическое изображение размерности автоматической системы

Каждой системе соответствует определенный оператор, являющийся ее полной характеристикой, называемый оператором системы. Следовательно, х_вых (t) = Ах_вх (t) (где А — оператор системы: алгебраические операции, дифференцирование, интегрирование, решение дифференциальных, интегральных, алгебраических и других функциональных уравнений, логические операции). Задание оператора системы в форме дифференциальных уравнений позволяет наиболее просто получить выходную функцию по заданной входной и начальным условиям.

По типу оператора автоматические системы делятся на линейные и нелинейные.

Линейная система характеризуется линейностью оператора. Оператор системы линеен, если выполняется принцип суперпозиции, т. е. результат действия оператора А на комбинацию заданных функций хi является линейной комбинацией результата действия оператора А на каждую функцию:

Линейная система описывается линейными дифференциальными уравнениями.

На практике принцип суперпозиции означает, что при нескольких входных воздействиях результат на выходе может быть получен суммированием выходных воздействий, полученных для каждого входного в отдельности. Кроме того, увеличение входного воздействия в т раз в линейной системе реализуется также в увеличении выходного воздействия в т раз. Последнее свойство дает возможность исследовать линейную систему на основе ее реакции на единичное входное воздействие, характеризуемое лишь его формой. С другой стороны, сложный вид возмущения Xf можно разложить на элементарные.

Нелинейная система имеет нелинейный оператор А, для которого принцип суперпозиции не выполняется вообще или выполняется частично. Эта система описывается нелинейными дифференциальными уравнениями, решение которых в аналитической форме возможно лишь для частных видов невысокого порядка.

По типу оператора автоматические системы делятся также на стационарные и нестационарные.

Стационарная система характеризуется стационарным оператором А, т. е. оператором, свойства которого не зависят от времени. Реакция системы на любой тип возмущения зависит только от интервала t — t₀ (где t₀ — момент приложения сигнала на входе). Стационарная система описывается дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами.

Нестационарная система имеет нестационарный оператор, свойства и структура которого во времени изменяются. В этом случае, если х_вх сдвинуть во времени при сохранении его формы, т. е. сигнал на вход приложить в момент ,то выходные переменные не только сдвигаются во времени на величину , но и изменяют форму. Нестационарная система описывается дифференциальными уравнениями с переменными во времени коэффициентами.

Классификация автоматических систем по характеру их действия. По характеру действия системы делятся на системы прямого и непрямого действия.

Принципиальные схемы автоматических систем прямого и непрямого действия

Системой прямого или непосредственного действия называется автоматическая система, у которой управляющее воздействие х_у вырабатывается непосредственно от сигнала на выходе x_вых, а последний при этом достаточно высок. Для получения х_у не требуется источник дополнительной энергии.

Автоматическая система непрямого действия вырабатывает управляющее воздействие х_у от малого по уровню сигнала рассогласования х, поэтому она требует промежуточного усиления, реализуемого за счет использования дополнительной энергии.

Показаны схемы систем автоматического управления уровнем жидкости, давлением газа и напряжением электрического тока соответственно прямого и непрямого действия. Рассматриваемое деление автоматических систем приобретает особый смысл при исследовании динамики систем.

Кроме того, по характеру действия системы делятся на системы непрерывного и дискретного действия.

Автоматические системы непрерывного действия характеризуются непрерывностью проходимого по цепи воздействий сигнала, который может быть описан непрерывной функцией времени.

Автоматические системы дискретного действия отличаются дискретным характером внутренних воздействий. Дискретные системы подразделяются на релейные, импульсные и цифровые. В первых производится квантование сигнала по уровню, во вторых — по вре­мени (амплитудно-импульсная, широтно-импульсная, фазоимпульсная, частотно-импульсная модуляция), в третьих — по времени и по уровню (импульсно-кодовая модуляция).

Дискретные автоматические системы в ряде случаев более просты, нечувствительны к помехам, они неизбежны при использовании в автоматических управляющих устройствах цифровых вычислителей.