25

Лекция №2

Принципы управления объектами

Общая структура проектируемой системы, её основные элементы и принцип управления в значительной мере определяются свойствами объекта регулирования, условиями работы системы и требованиями, предъявляемыми к её точности. САУ должна решать две основные задачи

1. Обеспечить требуемое изменение регулируемых величин;

2. Скомпенсировать действие на объект регулирования возмущений.

Преобразуем обобщённую структурную схему САУ к виду

Структурная схема САУ

В общем случае управление регулирующим органом осуществляется в функции , y, x:

.

Это уравнение преобразуем по Лапласу при нулевых начальных условиях, полагая систему линейной:

(1)

Уравнение объекта регулирования с одной регулируемой функцией при воздействии на него возмущения имеет вид

(2)

Подставив (1) в (2), получим закон функционирования системы:

или

Отсюда

=Wзх(p)X(p)+Wзf(p)F(p) , (3)

где Wзх(p) – передаточная функция системы по каналу управления,

Wзf(p) - передаточная функция системы по каналу возмущения.

Для того чтобы регулируемая функция y изменялась по закону x(t) при любых внешних возмущениях, необходимо, чтобы Wзf(p) 0 , а Wзx(p) 1 (если неединичная обратная связь, то Wзx(p) 1/Kос) при всех условиях работы системы, т.е. необходимо с помощью сил, создаваемых регулирующим органом, скомпенсировать влияние возмущающих воздействий, действующих на объект регулирования, и приложить к объекту такие силы, которые бы обеспечили требуемое изменение регулируемой величины у(t).

Из (3) видно, что эти задачи могут быть решены различными способами, так как при этом необходимо выполнить два условия, а в законе управления (1) имеется три варьируемых оператора Wp(p), Wkf(p), Wос(p). Один из операторов может быть произвольным.

1. Принцип разомкнутого управления (принцип прямой связи).

Если известны действующие на систему возмущения и известна желаемая реакция на выходе системы, то можно определить передаточную функцию регулятора.

.

Сущность принципа состоит в том, что алгоритм управления строится только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируется по фактическому значению управляемой координаты объекта.

Достоинства:

1. Высокая скорость реакции на внешние воздействия;

2. Система не может быть в принципе неустойчивой.

Недостатки:

1. Чувствительность к изменению параметров элементов;

2. Невозможно получить высокую точность при неизвестных возмущениях и низкой точности модели объекта;

3. Невозможность полной компенсации возмущений для объектов с транспортной задержкой;

4. Проблема физической реализуемости обратных операторов.

Примеры: пневмо - и гидроэлектроклапаны, которые по получении электрического сигнала открывают или закрывают проход топлива, воздуха или парогаза к агрегатам, автоматические станочные линии, торговые автоматы, информационные табло железнодорожных и аэровокзалов и др.

2. Принцип обратной связи (принцип управления по отклонению контролируемой функции от входного воздействия, принцип Ползунова-Уатта)

Сущность принципа обратной связи заключается в том, что регулятор вступает в работу только тогда, когда между текущим и заданным значениями регулируемой функции появляется рассогласование, и регулятор воздействует на объект таким образом, чтобы свести это рассогласование к нулю или к малой величине.

Принцип внутренне противоречив, ибо прежде чем ликвидировать ошибку необходимо допустить ее возникновение.

Без обратной связи невозможно учесть влияние неизвестных факторов, неполноту знаний об объекте.

В рассматриваемом случае уравнение системы регулирования будет иметь вид

Если Wp(p) по модулю во всех режимах работы системы сделать достаточно большим [в идеале |Wp(jω)|], то уr, так как при этом условии Wзf(p) будет стремиться к нулю, а Wзr(p) - к единице. Следовательно, регулирование по отклонению позволяет одновременно уменьшить влияние на систему возмущающих воздействий f и увеличить точность воспроизведения заданного входного воздействия r.

Регулятор вырабатывает в системе изменение y(t), направленное навстречу начальному отклонению, вызвавшему работу регулятора, то есть стремится компенсировать возникшее отклонение.

Обратные связи в регуляторе или объекте называются местными обратными связями.

Если система линейная и звенья статические, то в установившемся режиме тогда где обозначим k=k_pk_y – общий передаточный коэффициент разомкнутой цепи регулирования.

Уравнение статического равновесия имеет вид

При увеличении k влияние  уменьшается, поэтому достоинством этого принципа регулирования является его универсальность по отношению к возмущениям, а недостатком – склонность системы к неустойчивому режиму работы.

Установившаяся ошибка регулирования в статической системе с единичной отрицательной обратной связью (статическая ошибка) если k>>1, то

Достоинства:

1. Регулирование по отклонению позволяет уменьшить влияние на систему всех возмущающих воздействий;

2. Увеличивается точность воспроизведения заданного входного воздействия;

3. На динамические свойства объекта никаких ограничений не накладывается. Следовательно, регулирование по отклонению применимо к любым объектам, в том числе и к неустойчивым;

4. Отсутствие необходимости замера возмущений, что очень важно с практической точки зрения;

5. Отсутствие жёстких требований к стабильности характеристик элементов регулятора и объекта.

Недостатки:

1. Принципиально нельзя получить регулирование без ошибки, так как ошибка

регулирования является сигналом, который управляет регулирующим органом;

2. Склонность системы к неустойчивому режиму работы;

3. Замедленная реакция системы на изменения возмущающего воздействия, так как управляющее воздействие на объект формируется по изменению выходной координаты;

4. Уменьшается коэффициент усиления замкнутой системы относительно коэффициента усиления разомкнутой системы.

Управление – фундаментальная философская категория, решающая задачу формирования управляющих воздействий.

Регулирование – производная философская категория, решающая задачу отработки заданных воздействий.

Системы автоматического регулирования (САР) отличаются от систем автоматического управления (САУ) тем, что в последних происходит как формирование (выработка) желаемого поведения объекта на основании цели управления в виде задающих (управляющих) воздействий, так и их отработка в САР происходит лишь их отработка, а сами управляющие воздействия, поступающие на элемент сравнения, считаются заданными.

Теория автоматического регулирования является основой построения первого уровня, а теория автоматического управления – основой всей иерархической структуры информационных процессов управления, необходимых для комплексной автоматизации сложных объектов.

Принцип действия любой САР состоит в том, чтобы обнаружить отклонения регулируемых величин, характеризующих работу машины, или протекание процесса от требуемого режима, и при этом воздействовать на машину или процесс так, чтобы устранить возникшие отклонения.

В теории автоматического регулирования основными являются проблемы устойчивости, управляемости, наблюдаемости, качества переходных процессов, динамической точности, автоколебаний, оптимизации, синтеза и идентификации.

Пример 3. Определить уравнение статики системы регулирования напряжения генератора постоянного тока.

где k=k_гk_у, k_г=F(U_г) определяется при I_н=0.

Выходная статическая характеристика САР.