Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Основы теории управления линейными автоматичес...doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
24.11 Mб
Скачать

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(tt0). Точно также начало действия возмущения в момент времени t1 = t0 + a, т.е. в виде функции x(ta) вызывает реакцию системы в виде функции y(tt0a). 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