2.1.2Увеличение устойчивости элемента или системы.

Увеличение устойчивости достигается включением в контур регулятора дифференцирующего звена. Закон изменения для такой автоматической системы имеет вид:

(34)

Если регулирование производится только по пропорциональному закону , то в промежутке времени оb, когда входной сигнал x положителен, управляющий сигнал Z также положителен. Изменение знака управляющего воздействия Z происходит только после изменения знака входного сигнала, т.е. в точке b. Вследствие того, что реальный регулятор обладает инерционностью, он не сразу переключится на действие в обратную сторону, а с некоторым запозданием, т.е. где-то в промежутке времени bc, когда уже накопится отрицательный сигнал x. Это способствует колебательности системы, особенно заметной при большой инерционности регулятора.

Если же регулирование происходит по закону (34), то картина будет другой. На участке 0a отклонение x и его производная имеют одинаковый знак. Благодаря этому действие регулятора усиливается. В точке b знак производной меняется на обратный, и управляющий сигнал будет уменьшен по сравнению с пропорциональным управлением. Это значит, что на участке ab введение производной тормозит действие регулятора. Знак управляющего сигнала Z изменится на обратный раньше, чем знак отклонения x, а именно, когда отрицательный сигнал превысит положительный сигнал самого отклонения. Это способствует уменьшению раскачивания системы.

Действие сигнала по производной в данном случае напоминает эффект одерживания судна на курсе, когда руль перекладывается в обратную сторону еще до того, как судно вернется на заданный курс.

2.1.3Реализация астатических свойств элемента или системы

Астатические свойства элемента или системы могут быть получены формированием отрицательной обратной связи с интегрирующим элементом. Рассмотрим инерционное звено, охваченное отрицательной обратной связью с интегратором (рис. 20).

При наличии обратной связи по правилу, изложенному в 3.1.3 [см. выражение (15)], имеем:

.

Отсюда выходной сигнал определится соотношением

.

Несложно видеть, что при , , т.е. система в установившемся режиме на постоянные сигналы или возмущения не реагирует.

Здесь опять можно провести аналогию с работой рулевого. Если судно рыскает в одну сторону больше, чем в другую, то опытный рулевой удерживает среднее положение руля не в диаметральной плоскости судна, а под некоторым углом. Благодаря этому, предотвращается односторонний снос судна с курса.

Обратные связи элементов или систем, включающие интегрирующие или дифференцирующие звенья носят название гибких обратных связей.

В общей постановке задачи система автоматического управления должна выполнять следующие функции:

1. Измерять и поддерживать постоянным заданное значение курса во время движения судна с требуемой для судовождения точностью.

2. Производить минимально возможное количество включений рулевой машины судна.

3. Обеспечить минимум амплитудного отклонения руля судна.

4. Гарантировать устойчивую работу всей системы в лом не допуская автоколебаний.

Чтобы удовлетворить вышеуказанным требованиям необходимо произвести исследование качества работы системы. Анализ САР состоит из следующих этапов: математической формулировки задачи, т.е. составления уравнений САР; исследования устойчивости САР и характера переходных процессов в системе, а также оценки качества управления.

Ввиду сложности САР большое значение при составлении уравнений имеет точность физических представлений о процессах, происходящих в системе и количественная определенность основных характеристик. При наличии этих условий перед составлением уравнений целесообразно вначале преобразовать блок-схему в функциональную, а затем на ее базе получить уравнения и передаточные функции звеньев.

Функциональную схему САР курсом судна можно представить следующим образом:

На схеме введены следующие обозначения: БФЗУ – блок формирования закона управления; УПУ – усилительно-преобразующее устройство, ИМ – исполнительный механизм рулевого привода, ОС – блок обратной связи системы управления рулем, ОР – объект регулирования (судна), ГК – гирокомпас, реализующий внешнюю обратную связь.

В настоящее время системы стабилизации судна на курсе построены по принципу отклонения, т.е. при отклонении судна от заданного курса, БФЗУ вырабатывает управляющий сигнал . Этот сигнал усиливается в УПУ и поступает на исполнительный механизм, приводящий в действие рулевую машину, а следовательно, и перо руля. При перекладке руля, на вход следящей системы управления рулем по каналу внутренней обратной связи ОС поступает сигнал , пропорциональный углу перекладки руля  и противоположный по знаку управляющему сигналу . Перекладка руля происходит до тех пор, пока сигнал обратной связи не компенсирует управляющий сигнал. В этом случае перо руля установится под некоторым углом к диаметральной плоскости. Отклонение пера руля вызывает появление гидродинамических сил, возвращающих судно на заданный курс. При этом происходит уменьшение управляющего сигнала , снимаемого с БФЗЦ. В результате разностный сигнал меняет знак, что приводит к отработке руля в исходное положение. Практически перекладка руля в исходное положение. Практически перекладка руля в ту или иную сторону от ДП происходит непрерывно, так как судно периодически уходит с заданного курса как под действием внешних возмущений F, так и из-за внутренних возмущений – помех в элементах САР курсом.