
- •Введение
- •В1. Исходные понятия
- •Первый вопрос, возникающий у студентов при появлении новой дисциплины – а зачем нам это нужно? Давайте попытаемся ответить на него в отношении дисциплины «Основы теории управления».
- •В2. Краткая история развития теории управления
- •1. Общие сведения о системах автоматического управления
- •1.1. Основные понятия системотехники
- •1.2. Понятие управления
- •1.3. Классификация систем управления
- •Параметрических возмущений
- •С информационной огибающей (в)
- •1.4. Задачи и математические модели систем управления
- •1.4.1. Задачи теории управления
- •1.4.2. Понятие о математических моделях систем управления
- •1.4.3. Способы построения моделей
- •2. Математический аппарат анализа и синтеза линейных непрерывных систем управления
- •2.1. Математические средства описания систем управления
- •2.2. Средства описания моделей систем в функциональном пространстве
- •2.2.1. Дифференциальные уравнения
- •Общая форма записи системы дифференциальных уравнений может быть представлена в виде
- •2.2.2. Передаточные функции
- •2.2.3. Временные характеристики
- •Тестовые сигналы
- •2.2.4. Частотные характеристики
- •2.1.5. Полнота характеристик
- •2.3. Средства описания моделей систем управления
- •2.3.1. Дифференциальные уравнения в форме Коши
- •2.4. Линейные модели систем управления
- •2.4.1. Понятие линеаризации моделей
- •2.4.2. Модели «вход-выход»
- •2.4.3. Модели с раскрытой структурой
- •2.4.4. Модели в виде сигнальных графов (графов Мейсона)
- •3. Структурные методы теории автоматического управления
- •3.1. Понятие структуризации
- •3.2. Преобразования структурных схем
- •3.3. Передаточные функции систем
- •3.4. Типовые звенья систем управления
- •Типовые звенья нулевого порядка и их передаточные характеристики
- •Типовые звенья первого порядка и их передаточные характеристики
- •Типовые звенья второго порядка и их передаточные характеристики
- •3.4.2. Элементарные звенья
- •Элементарного усилительного звена
- •Элементарного усилительного звена
- •Элементарного усилительного звена
- •Элементарного звена чистого запаздывания
- •А − в комплексной плоскости, б − в действительном пространстве
- •Элементарного звена чистого запаздывания
- •Идеального дифференцирующего звена
- •Элементарного интегрирующего звена
- •Элементарного интегрирующего звена
- •Элементарного интегрирующего звена
- •Типового дифференцирующего звена
- •Частотные характеристики типового дифференцирующего звена
- •Интегрирующего звена
- •Апериодического звена
- •Форсирующего звена
- •Реального дифференцирующего звена
- •Реального дифференцирующего звена
- •Реального дифференцирующего звена
- •Реального дифференцирующего звена
- •Реального дифференцирующего звена
- •Реального интегрирующего звена
- •Реального интегрирующего звена
- •4. Основные свойства систем управления
- •4.1. Основные требования к системам управления
- •4.2. Устойчивость систем управления
- •Устойчивой (а), нейтральной (б) и неустойчивой (в)
- •От вида корней характеристического полинома
- •Некоторые координаты отображения единичного квадрата с помощью функции
- •Некоторые координаты отображения единичного квадрата с помощью функции
- •Для устойчивых (а) и неустойчивых (б) систем
- •4.3. Инвариантность (робастность) систем управления
- •4.4. Чувствительность систем управления
- •4.5. Показатели качества систем управления
- •5. Синтез линейных систем управления
- •5.1.Основные понятия
- •5.2. Постановка задачи синтеза одноканальных систем
- •5.3. Условия разрешимости задачи синтеза
- •5.4. Частотный метод синтеза
- •5.5. Модальный метод синтеза
- •Литература
С информационной огибающей (в)
Дискретные − это такие системы, в которых амплитуда входного сигнала может быть квантована по некоторому параметру. В зависимости от вида квантования различают дискретные по уровню (релейные), дискретные по времени (импульсные) и дискретные по уровню и времени (релейно-импульсные, цифровые) системы. Кроме того, в дискретных системах с обратной связью замыкание контура может происходить дискретно во времени.
Релейные – это системы, где в контуре регулирования стоит релейный
элемент (реле), т.е. контур обратной связи замыкается тогда, когда ошибка становится больше некоторой допустимой величины a (a – зона нечувствительности реле – заранее заданная величина), т.е. когда a и размыкается, когда ошибка δ b (отключение реле), где a > b. Отсюда следует, что в релейных системах производится квантование по уровню 0 (рис. 1.12, а), при котором в произвольные моменты времени выделяются значения непрерывного сигнала, достигшие одного из допустимых дискретных уровней. Отметим, что релейные системы существенно нелинейны и их нельзя заменять линейными математическими моделями. Отметим, что для построения систем оптимальных по быстродействию (важный класс систем управления!) в большинстве случаев используют системы с релейными элементами.
В импульсных системах производится квантование сигнала по времени, при котором в дискретные моменты времени выделяются значения непрерывного сигнала (рис. 1.12, б). Эти моменты отстоят друг от друга на постоянную величину Т, называемую шагом квантования.
Рис 1.12. Квантование сигнала: а – по уровню, б – по времени,
в – по уровню и по времени
В релейно-импульсных системах производится одновременно квантование по уровню и дискретизация по времени, т.е. в равноотстоящие моменты времени непрерывный сигнал заменяется одним из фиксированных (допустимых) дискретных значений (рис. 1.12, в).
Существуют также дискретные системы, в которых информация кодируется частотой импульсов.
Область применения дискретных систем в настоящее время весьма разнообразна. Их подразделяют на две основные категории.
1. Системы, дискретные по своей природе, в которых существенная информация измеряется только в дискретные моменты времени. Примерами таких систем являются, например, радиолокационные системы обнаружения и сопровождения цели. Существует большое количество физических, биологических явлений, а также социальных и экономических процессов, которые могут быть описаны только дискретными моделями.
2. Системы, в которых непрерывная информация намеренно квантуется для получения новых, по сравнению с непрерывными системами, свойств (упрощение реализации, повышение надежности, увеличение точности и т.д.). Это системы, в состав которых входят компоненты вычислительной техники, в первую очередь, микропроцессоры.
Еще одной важной разновидностью систем управления являются системы, в которых информация кодируется амплитудой переменного тока, т.е. огибающей несущего сигнала (рис.1.11, в). Примерами таких систем являются автоматические следящие системы с двигателями переменного тока, системы с радиоканалами с амплитудной модуляцией и т.д.
Классификация по типу алгоритма. Алгоритм управления на основе информации об ошибке (t) = y* − y реализуется регулятором Р (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Система автоматического управления
Он носит название закона регулирования (управления). Различают законы управления и, соответственно, регуляторы:
− пропорциональный (П-закон и П-регулятор), имеющий очень простую логику: чем больше ошибка, тем сильнее воздействие на объект:
;
(1.1)
где
kP
– коэффициент передачи регулятора,
– отклонение (ошибка) системы;
− интегральный (И-закон и И-регулятор), основанный на следующей идее: уровень воздействия на объект пропорционален суммарной ошибке, накопившейся за определенное время:
,
(1.2)
или
,
(1.3)
т.е.
ошибка системы определяет скорость
изменения управляющего воздействия,
где
– время изодрома (параметр настройки);
− пропорционально-интегральный (ПИ-закон и ПИ-регулятор) является комбинацией П- и И-законов:
;
(1.4)
− дифференциальный (Д-закон и Д-регулятор), при котором величина воздействия определяется скоростью изменения ошибки
,
где
– постоянная времени (параметр настройки);
− пропорционально-дифференциальный (ПД-закон), при котором управляющее воздействие определяется суммарным влиянием величины
ошибки и скорости ее изменения:
;
− пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД-закон и ПИД-регулятор), формирующий управляющее воздействие с учетом величины, суммарного текущего значения величины ошибки, ее накопления за определенное время и скорости изменения ошибки:
.
(1.5)
Классификация по энергетическому признаку. Исполнение принятого в управляющем устройстве решения об управляющем воздействии требует энергетических затрат, иногда весьма значительных.
Классификация по энергетическому признаку делит все системы управления на системы с регуляторами прямого и непрямого действия.
В
системах прямого
регулирования
для оказания управляющего воздействия
используется энергия самого управляющего
процесса. В такой системе сигнал ошибки
должен быть достаточным по мощности
для управления регулирующим органом.
Примером такой системы может служить
регулятор заданного уровня воды в
паровом котле, изобретенный русским
механиком И.И. Ползуновым в 1765 г. Применение
подобной системы имело место в поплавковых
регуляторах уровня топлива в карбюраторах
автомобильных двигателей на заре
отечественного автомобилестроения
(рис. 1.14) и даже в современных мотоциклах.
Рис. 1.14. Регулятор прямого действия
Здесь поплавок одновременно выполняет три действия: измерение уровня, принятие решения об управляющем воздействии и исполнение решения. Английский механик Дж. Уатт построил систему прямого регулирования скорости вращения вала паровой машины на основе центробежного датчика скорости вращения.
Достоинством систем прямого регулирования является простота и надежность, недостатком – невысокая точность и необходимость больших усилий на перемещение управляющих органов (нужен большой поплавок, большая масса тел вращения центробежного регулятора и т.д.).
Для повышения точности управления объектами, требующими больших энергетических затрат на управление необходимо разделение функций элементов измерения и управления системы, а также привлечение дополнительного источника энергии. Эти два компонента отличают системы непрямого действия (рис. 1.15).
Измеритель-поплавок здесь имеет небольшие размеры, поскольку перемещение контакта потенциометра П не требует больших усилий. Напряжение u, пропорциональное отклонению уровня от заданного, усиливается усилителем У и подается на двигатель Д. Последний перемещает через редуктор Р клапан на трубопроводе притока бензина.
Рис. 1.15. Система регулирования непрямого действия
Достоинством систем непрямого действия является более высокая, чем у систем прямого действия, точность регулирования, недостатками – бóльшие сложность и стоимость и меньшая надежность.
Существуют и другие классификационные признаки. Среди них можно выделить:
1. Вид уравнений, описывающих систему. По этому признаку системы управления подразделяются на линейные и нелинейные. Линейных систем в природе нет, т.е. реально все существующие системы управления нелинейны. Поэтому под линейными системами понимаются приближенные линейные математические модели реальных нелинейных систем.
Большинство реальных систем можно свести к линейным, т.е. нелинейности в них являются несущественными (насыщение усилителей, петля гистерезиса и т.п.).
В тех случаях, когда нелинейности в системах управления существенны и их нельзя линеаризовать, рассматриваются нелинейные модели, и применяются методы исследования нелинейной теории автоматического управления.
2. Характер зависимости коэффициентов уравнений, описывающих систему от времени. По этому признаку системы управления бывают стационарными и нестационарными.
Стационарной называется система, реакция которой на любой тип возмущения не зависит от текущего состояния системы, а определяется лишь моментом времени воздействия возмущения. Например, математический или физический неизменяемый маятник, находящийся в покое, под воздействием возмущения заданной формы начнет совершать колебания, определяемые только параметрами сигнала возмущения, в какой бы момент времени это возмущение ни было приложено. Если реакция системы отсчитывается от некоторого момента времени t0, то реакция на возмущение x(t) представляет собой функцию y(t – t0). Точно также начало действия возмущения в момент времени t1 = t0 + a, т.е. в виде функции x(t – a) вызывает реакцию системы в виде функции y(t – t0 – a). Таким образом, в стационарной системе сдвиг во времени входного возмущения на некоторый интервал времени вызывает сдвиг реакции системы на тот же самый интервал. Такие системы описываются математическими (дифференциальными уравнениями) с постоянными коэффициентами.
В нестационарных системах при сдвиге входного возмущения во времени без изменения формы их выходные переменные не только сдвигаются по времени, но изменяют свою форму. Примером нестационарной системы может служить математический маятник, у которого длина нити меняется во времени по некоторому закону. При этом одно и то же входное возмущение с изменением длины нити будет вызывать разную реакцию системы.
3.
Величина
и характер ошибки
.
По этому признаку системы управления
бывают статическими и астатическими.
В системах, статических по отношению к какому- либо воздействию, ошибка, вызванная этим воздействием, по окончанию процесса регулирования становится равной некоторой постоянной величине, называемой статической ошибкой.
В системах, астатических по отношению к какому-либо воздействию, ошибка, вызванная этим воздействием, по окончании процесса регулирования становится равной нулю.
4. Вид используемой энергии. В зависимости от вида используемой для управления энергии различают электрические, механические, гидравлические, пневматические, а также комбинированные системы автоматического управления.
Классы моделей. Общая классификация моделей систем управления приведена на рис. 1.16.
Рис. 1.16. Классификация систем автоматического управления
Четыре независимых признака дают возможность формирования 24 = 16 типов непрерывных и дискретных моделей. Простейший класс – ЛСДК – линейные стационарные детерминированные конечномерные системы. Они описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями с детерминированными коэффициентами. Для анализа и синтеза таких систем существует развитый математический аппарат. Далее мы будем рассматривать системы именно этого класса.
Более сложные классы формируются введением одного или нескольких альтернативных признаков. Для систем второго и более высоких уровней сложности анализ и синтез возможен только посредством вычислительных экспериментов.
Лекция 3