2.4. Автоматты басқару жүйесін жіктеу

Автоматты басқару жүйесін жіктеу жүйенің тағайындалуы мен конструкциясын сипаттайтын және басқа да принциптер мен белгілер бойынша жүргізіледі. Алдымен автоматты жүйенің басқару алгоритмі мен жұмыс істеу алгоритмін сипаттайтын, басқару теориясы үшін өте маңызды белгілер арқылы жіктеуді қарастырайық. Ол белгілер ретінде автоматты басқару жүйесінің жұмыс істеу сыйпатын, реттеу яғни әсер ету тізбегінің түрін және басқарушы әсерді алу әдісін жатқызуға болады.

Автоматты басқару жүйесін басқару әдісі және қызмет белгісі бойынша жіктеуге болады (2.4-сурет). Басқару әдісіне қарай жүйелер: кәдімгі — өздігінен бапталмайтын және адаптивті — өздігінен бапталатын болып үлкен екі класқа жіктеледі. Кәдімгі жүйелер қарапайым категориясына жатады да, басқару процесінде өз құрылымын өзгертпейді. Олар — тұйықталмаған, тұйықталған және аралас басқару жүйелері болып қосалқы үш класқа ажыратылады. Ал тұйықталмаған АБЖ автоматты нық басқару жүйесіне (АНБЖ) және қозу бойынша басқару жүйесіне бөлінеді.

2.4-сурет. Автоматты басқару жүйесін жіктеу

Ажыратылған жүйелерде басқарылатын шама бақыланбайды, яғни басқарушы құрылғының кірісіне тек сыртқы әсер ғана беріледі. Өз кезегінде ажыратылған жүйелерді тек берілген әсердің өзгеруіне сәйкес басқаруды қамтамасыз ететін жүйелер (2.5 а-сурет) және қобалжыту әсері өзгергенде басқаратын жүйелер (2.5 б-сурет) деп екі класқа бөлуге болады.

Ажыратылған жүйенің бірінші түрің басқару алгоритмін мына түрде көрсетyге болады:

u(t)=A_u[x(t)] (2.2)

2.5-Ажыратылған (а, б), тұйықталған (в) және аралас (г) жүйелердің функционалдық схемалары

А_u операторы х(t) тапсырыстық әсер мен u(t) басқарушы әсер арасындағы пропорционалдықты қамтамасыз етеді, ал бұл жағдайда жүйе программалық басқаруды іске асырады.

Қобалжу бойынша басқару жүйелерінде басқарушы әсер қобалжыту және тапсырыстық әсерлеріне тәуелді:

u(t)=А_u[f(t),x(t)] (2.3)

Көп жағдайда А_и операторы бір-біріне тәуелсіз екі құрамаға бөлінуі мүмкін:

u(t)=u_T(t)+u_к(t)=А_T[х(t)]+А_к[f(t)] (2.4)

Іс жүзінде А_T операторы х(t) сигналын жай пропорционал түрлендіруге сәйкес келетін болса, А операторы күрделі болып келуі мүмкін, мысалы u(t) мен f(t) сигналдарының арасындағы бейсызықтық қатынасты құруы мүмкін.

Көптеген жағдайда қобалжу бойынша басқаратын ажыратылған жүйелер басқарылатын шаманы тұрақтандыру қызметін орындайды. Бұл жүйенің артықшылығы — жылдам әрекеттілігі: олар қобалжыту әсерін объектінің шығысына жеткізбей теңелтеді.

Бұған мысал ретінде бөлме ішін жылыту жүйесін алуға болады. Бөлмедегі жылытқыштарға берілетін ыстық судың шығыны даладағы ауаның температурасына байланысты болады. Мұнда ыстық судың шығыны u(t) басқарушы әсер ретінде болса, даладағы ауаның температурасы f(t) сыртқы кызу әсері болып табылады.

Ауытку принципі бойынша жұмыс істейтін автоматты басқарудың тұйықталған жүйесін автоматты реттеу жүйесі (АРЖ) деп те атайды. Олардың ерекшелігіне сигнал өтуінің тұйық контурының, яғни СЭ салыстыру элементінің кірісіне y(t) реттелетін шама мәні туралы мәлімет берілетін кері каналдың болуы жатады.

Тұйықталған автоматты жүйеде басқарушы құрылғының кірісіне ішкі және сыртқы әсерлер бірдей беріледі, яғни бұл жүйеде басқарылатын шама әр уақытта бақылауда тұрады. Бұл жүйелердің функционалдық құрылымы 2.5,в-суретте келтірілген.

Тұйықталған жүйеде басқарушы әсер басқарылатын шаманың қажетті және нақты мәндері арасындағы айырымымен анықталады:

u(t)=А_u[ε(t)] (2.5)

мұндағы ε(t)=х(t)-у(t) - қателік сигналы немесе айырымдық сигнал деп аталынады. Тұйықталған жүйелерді көбінесе ауытқу бойынша басқару жүйесі деп атайды.

Төменде негізінен тұйықталған жүйелерге көп көңіл бөлетін боламыз.

Автоматты реттеу жүйесі реттелетін шаманы тұрақтандыру (тұрақтандыратын АРЖ), реттелетін шаманы белгілі (программалы АРЖ), не белгісіз (қадағалаушы АРЖ) программалар бойынша өзгерту секілді үш мәселені шешуге арналған. Тұрақтандырушы АРЖ-да реттелетін шаманың берілген мәні де тұрақты болады.

Тұрақтандырушы автоматты жүйе деп, қызмет істеу алгоритмі басқарылатын шаманы берілген (тағайындалған) мәнінде ұстап тұруға бағытталған жүйені айтады. Өндірістік автоматикада тұрақтандырушы жүйелер кеңінен тараған. Олар көбінесе технологиялық объектілердің күйін сипаттайтын әртүрлі физикалық шамаларды тұрақтандыру үшін қолданылады. Тұрақтандырушы жүйе мысалы ретінде генератор жұмысының режимін басқару жүйесін қарастыруға болады (2.6-сурет).

2.6-сурет. Генератор жумыс режимін автоматты басқару жүйесі

Суреттегі К күшейткіштің кірісіне

U₁=U₀-kU_Г (2.6)

кернеуі беріліп тұр, мұндағы U₀ - тапсырыстық кірістік сигнал, kU_Г – бөлгіштен алынатын генератор кернеуінің бір бөлігі. Күшейткіш шығысына қосылған генератордың қоздыру орамына

U_к≈U₁ (2.7)

кернеуі беріліп тұр. Егер кейбір жағдайлармен R_ж жуктеме өзгерер болса, онда оған сәйкес генератор кернеуі U_Г бірге өзгереді. Ол азайды делік, онда kU_Г кернеуі де азайып U₁ көбейеді, яғни U_к кернеуі де кебейіп U_Г генератор кернеуін берілген мәніне дейін көтереді. Егер генератор шығысындағы U_Г кернеуі өскен болса, күшейткіш кірісіндегі U₁ кернеуі азайып қоздыру орамындағы U_к кернеуі де азаяды. Ал бұл генератор шығысындағы кернеуді берілген U₀ мәніне жеткенше автоматты түрде азайтады.

Программалық басқару жүйелері деп басқарылатын шаманы берілген программаға сәйкес өзгертіп отыратын жүйелерді айтады.

Программалық басқару жүйесінің мысалы ретінде 2.7-суретте келтірілген пермалоидты күйдіру процесінің температурасын басқару жүйесінің функционалды схемасын алуға болады.

Бұл жүйедегі басқарылушы шама объектінің ішіндегі температура. Бұл температураның өзгеру заңдылығы П программалық құрылгыда алдын-ала жазылған программа бойынша өтеді.

Қадагалауыш автоматты жүйе деп өзгеру зацдылығы алдын-ала белгісіз, жүйе кірісіне берілетін әсердің өзгеруіне сәйкес басқарылатын шаманы өзгер­тіп отыру үшін қолданылатын жүйені айтады.

Қадағалауыш жүйелер көбінесе кеңістікте ұшып жүрген объектілерді алыстан басқару үшін қолданылады. Бұл жағдайда басқарылатын шама ретінде кеңістіктегі объектінің қайсыбір бастапқы нүктеден ара қашықтығын немесе бастапқы күйден бастап саналатын бұрылу бұрышын алады. Қадағалаушы жүйелерді аспаптар көрсетуін алысқа беру үшін де қолданады.

2.7-сурет. Пермалоидты күйдіру процесін автоматты басқару:

О-объект; ТП — термопара; КЭ - қыздырушы элемент; Р —реттеуіш; ЭК — энергия көзі; ПК — программалық құрылғы

Қадағалауыш және программалы жүйелер тұрақтандырушы АРЖ-дан берілетін сигналды өңдеу принципімен ерекшеленеді. Қадағалауыш АРЖ-ның мысалы ретінде жылыту пешіндегі от жағу процесін реттеу үшін берілетін отын және ауа шығындарының құрамдық үлестерін берілген бірқалыпта автоматты түрде ұстап отыруды алуға болады.

Аралас жүйе (2.5, г-сурет) ауытқу және қобалжыту бойынша басқару жүйелерінің артықшылықтарын бірдей қамтуы арқасында басқару дәлдігін едәуір арттырады. Бұл жүйеде есепке алынбаған қобалжыту әсері ауытқу бойынша басқарумен өтеледі, не бәсеңдетіледі.

Аралас жүйелерде (2.5, г-сурет) басқару тапсырыс бойынша және қобалжу бойынша екі тізбекпен жүргізіледі.

Басқарушы әсер

u(t)=А_T[ε(t)]+А_к[f(t)] (2.8)

операторына сәйкес жүргізіледі.

Аралас жүйе басқарудың көтеріңкі дәлдігін қамтамасыз етеді жіне оның тиімділігі де басқаларға қарағанда жоғары.

Енді автоматты жүйелерді кейбір қосымша белгілері бойынша жіктеуді қарастырайық.

Басқарушы әсерді туғызуға себеп болатын қандай энергия көзін пайдалануына сәйкес жүйелер тура әрекетті және тура әрекетті емес болып бөлінеді.

Тура әрекетті жүйелерде басқарылушы объектінің энергиясы қолданылады. Бұл жүйелерде басқарушы әсер ретінде басқарылатын шаманың берілген мәнінен ауытқуы ешқандай күшейткішсіз алынады. Тура әре­кетті емес жүйелерде басқарушы әсер энергияның қосымша көзін пайдалану арқылы түзіледі. Бұл үйелердегі басқарушы әсер басқарылатын шаманың берілген мәнінен ауытқуының күшейткіш арқылы алынған мәніне тең.

Жүйедегі сигналдардың түріне сәйкес автоматты басқару жүйелерін үзіліссіз және дискретті деп ажыратады.

Егер басқарылатын шама орнықты режимде сыртқы қобалжыту әсеріне тәуелді болса, онда автоматты басқару жүйесі статикалық деп аталынады, ал тәуелді болмаса астатикалық деп аталады.

Статикалық сипаттамаларының сыйпатына сәйкес немесе жүйе элементтерін өрнектейтін дифференциалдық теңдеудің түріне қарай жүйелерді сызықты және бейсызықты деп бөледі. Сызықты жүйелердегі барлық элементтер сызықты алгебралық және дифференциалдық теңдеулермен жазылады. Егер жүйедегі ең болғанда бір элементтің кірістік және шығыстық сигналдарының арасында бейсызықты тәуелділік болса, онда бүкіл жүйе бейсызықты, мұндай жүйелердің сипаттамаларын сызықты сипаттамалар арқылы жуықтатуға (аппроксимирлеуге) болмайды.

Өздігінен бапталатын (адаптивті) жүйелерді мынадай үш қосалкы класқа бөлуге болады: экстремалды жүйелер, параметрлері өзі бапталатын және құрылымы өзі бапталатын жүйелер.

Экстремалды реттеу жүйесі деп баптауы, программасы, не жаңғырту заңы, басқару объектісінің жұмыс режимін барынша ыңғайлы жасау мақсатында жүйенің ішкі күйі, не сыртқы жағдайдың өзгерісіне сәйкес автоматты түрде өзгеретін тұрақтандырғыш, қадағалауыш, немесе программалы басқару жүйелерін айтады. Мұндай жүйелерде тұрақты баптау не программа орнына арнайы автоматты іздестіру құрылғысы орнатылады. Бұл құрылғы объектінің пайдалы әсер коэффициенті, өнімділігі, үнемділігі және т. б. қайсыбір сипаттамаларына талдау жасауының нәтижесінде, бүкіл жүйе жұмысына ықпалын тигізетін әртүрлі қоздыру әсерінің үздіксіз өзгеріп отырған жағдайында, басқару құрылғысына реттелетін шаманың экстремальды мәнін береді.

Параметрлері өздігінен бапталатын жүйелерде сыртқы жағдайлар немесе реттеу объектісінің сипаттамалары өзгергенде басқару құрылғысының өзгермелі параметрлері автоматты түрде (берілген программа бойынша емес) өз мәндерін ауыстырады. Бұл жағдай жүйе жұмысының орнықтылығын және реттелетін шаманы берілген, не тиімді деңгейде ұстап отыру үшін қажет.

Құрылымы өздігінен бапталатын жүйелерде сыртқы жағдайдар немесе реттеу объектісінің сипаттамалары өзгергенде, жүйе элементтері бір-бірімен басқадай схема бойынша жалғастырылады немесе жүйе схемасына жаңа элементтер енгізіледі. Құрылымды бұлайша өзгертудің (іріктеудің) мақсаты басқару есебін тиімді шешу болып табылады. Құрылымды іріктеу есептеуіш және логикалық амалдарды қолдану арқылы автоматты түрде іздестіру жолымен жүзеге асырылады. Мұндай жүйелер сыртқы жағдай мен объект сипаттамаларының барлық өзгерісіне икемделіп қана қоймай, сонымен қатар жеке элементтердің ақауына, не істен шыққанына қарамастан, жаңа тізбек түзе отырып әрекет жасауы тиіс. Құрылымы өздігінен бапталатын жүйелерді жетілдіруге болады. Ол үшін іріктеуді бірнеше нұсқада тез орындап, солардың ішінен ең "тәуірін" таңдап алады.

Қызмет белгісі бойынша жіктеуге сәйкес барлық автоматты басқару жүйелері төрт класқа бөлінеді: тетіктер жұмысын үйлестіретін жүйе; технологиялық процестердің параметрлерін реттеу жүйесі; автоматты бақылау жүйесі; автоматты қорғау және қармау (блокировка) жүйесі.

Қоңдырғының жеке тетіктерінің, не тұтастай кондырғы жұмысын үйлестіруге арналған жүйе автоматты қатаң басқару жүйесі (АҚБЖ) болып табылады. Автоматты реттеу жүйесі (АРЖ) технологиялық процестің реттелетін шамасын белгіленген деңгейде ұстап отыруды немесе берілген программа бойынша өзгертуді қамтамасыз етеді. Автоматты бақылау жүйесі (АБЖ) технологиялық процестердің параметрлерінің әр мезеттегі мәндері туралы мәліметті адамның қатысуынсыз алуға арналған құралдар мен әдістерді қамтиды. Автоматты қоргау (АҚЖ) және қармау жүйелері тұрақталған режимде істеп тұрган құралдардың жұмысында апаттық жағдайдың болмауын қамтамасыз етеді.

3.1

статикалық делінеді. Статикалық буындар не қосылыстар түріндегі автоматтық реттеу объектілері статикалық деп аталады. Оларды өздігінен түзелетін объектілер деп те атайды, өйткені олардың кірісіне келетін тұрақты әсерден реттелетін (шығыстық) шама белгілі бір түрақты мәнге дейін ғана өсіп, одан әрі жаңа деңгейде тұрақтанады, мұны реттеуші болмаған жағдайда объектінің өзі жүзеге асырады.

Жоғарыдағы (3.1) өрнегін буынның статикалық теңдеуі деп атайды, ал оған сәйкес келетін график статикалық сипаттаманы кескіндейді.

Егер f функциясының өзі үзіліссіз және әр нүктесінде үзіліссіз туындылары болатын болса статикалық сипаттама аналитикалық деп аталынады. Бұл сипаттамалар сыптығыр қисық түрінде болады. Аналитикалық статикалық сипаттамалардың дербес түріне теңдеуі түзу сызықтыкіндей

х_ш=а₀+кx_к, (3.2)

мұндағы а және к - тұрақты коэффициенттер, болатын сызықтық статикалық сипаттама жатады. Мұндағы к шамасын беріліс коэффициенті немесе буынның күшейту коэффициенті деп атайды. Сызықты статикалық сипаттамасы бар инерциясыз буынды сызықты статикалық буын деп атайды. Буынның аналитикалық сипаттамасының мысалы ретінде электрлік генератордың негізгі магниттену қисығын алуға болады (3.1-сурет). Бейаналитикалық статикалық сипаттамалардың не шығыс координатасының өзінде, не оның туындысында үзік жері болады. Мұндай сипаттама­лардың мысалы ретінде кәдімгі реленің сипаттамасын алуға болады.

3.1-сурет. Тұрақты ток генераторы

а схемасы; б негізгі магниттену қисығы.

Астатикалық буындар. Жүйелерде кірістік және шығыстық шамаларының арасында өзара қатынас тағайындалмаған буындар болуы мүмкін. Оған мысал ретінде кірістік шамасы ретінде кернеу, ал шығыстық шамасы ретінде зәкірдің бұрылу бұрышы алынған электрқозғалтқышын алуға болады. Электр козгалтқышқа тұрақты кернеу бергенде, зәкірдің бұрылу бұрышы белгілі бір жылдамдықпен үлкейе түседі. Мұндай буында статикалық сипаттамалар болмайды. Статикалық сипаттамасы жоқ буындар астатикалық деп аталады. Кейбір астатикалық буындар үшін тұрақты ретінде бірінші ретті туынды емес екінші, үшінші т.с.с. ретті туындылар болады. Бұл жағдайда буынды екінші, үшінші т.с.с. ретті астатизмді деп атайды. Астатикалық буындардың да, тұтастай жүйенің де белгісінің біріне беріліс функциясының бөліміндегі көбейткіш ретіндегі р комплекс айнымалысының болуы жатады. Буынның не жүйенің беріліс функциясындағы a_n, a_n-1, …, a_n-k+1 козффициенттері нөлге тең болса, онда беріліс функциясы мына түрде болады:

мұндағы N^*(p)=a₁p^n-k+a₁p^n-k-1+…+a_n-k.

Астатикалық объектілерді кейде өздігінен түзетілмейтін объектілер деп атайды, өйткені кіріске тұрақты әсер берілгенде реттелетін (шығыстық) шаманың мәні теория жүзінде шексіздікке өсе береді. Астатикалық буын түрінде болатын автоматты реттеу объектілері немесе олардың қосылыстары астатикалық деп аталады.

Астатикалық буындардың әсер жоқ кездегі орнықтылық күй аймағын геометриялық кескінмен көрсетуге болады. Шартты түрде бұл аймақты «статикалық сипаттама» деп атайды. Мұндай буынның статикалық сипаттамасы ордината осіне дәл келеді (3.2, а-сурет). Егер буында сезімсіздік аймағы бар ьолса (мысалы, электрқозғалтқыш бастапқы күйінен тек кернеу кейбір мәнінен асқан кезде ғана қозғалады), онда орнықтылық күйінің геометриялық орны штрихтелген аймақ болады (3.2, б-сурет).

Сызықтық статикалық сипаттаманың теңдеуін түрлендірген кезде оған координаттардың абсолют мәндерін емес, олардың бастапқы бір мәндерінен ауыткуын енгізеді. Бұл жағдайда статика теңдеуі мына түрде болады:

3.2-сурет. Астатикалық буынның шартты статикалық сипаттамасы:

а - сезімсіздік аймағынсыз; б - сезімсіздік аймағы бар

Δх_шығ=кΔх_кір,

мұндағы Δх_шығ=х_шығ – х_0шығ;

Δх_кір =х_кір – х_0кір,

ал бастапқы мәндері алғашқы (3.2) теңдеуін де қанағаттандырады:

Δх_0шығ=а₀ + кх_0кір. (3.4)

Бұл жағдайда статикалық сипаттама координата басынан өтетін түзу сызықпен кескінделеді.