Комбинированные системы автоматического управления

Как упоминалось выше, применение разомкнутых систем автома­тического управления по возмущению ограничено случаями, когда управляемый объект обладает сильным самовыравниванием.

В большинстве случаев самовыра­внивание управляемых объектов ока­зывается недостаточным. Поэтому для получения высококачественного управления применяют комбиниро­ванные системы автоматического управления, реагирующие на откло­нение управляемой величины и на изменение возмущающих воздей­ствий.

Способы сочетания систем, реа­гирующих на возмущение и на отклонение управляемой величины, могут быть различными. В про­стейшем случае эти системы работают совершенно независимо друг от друга (рис. 15.3). В других случаях воздействия по возмущению и по отклонению могут взаимодействовать друг с другом. Огра­ничимся рассмотрением наиболее простого случая.

Рис. 15.3. Комбинированная си­стема автоматического управле­ния

В комбинированных системах автоматического управления разом­кнутая часть системы, передающая воздействия по возмущению, несет основную нагрузку по управлению объектом, она выполняется достаточно мощной, чтобы обеспечить необходимое быстродействие. Часть системы, работающая по отклонению регулируемой величины, несет относительно небольшую нагрузку по исправлению неточностей в выполнении заданной программы, которые допускаются системой, действующей по возмущению, и поэтому она может быть относи­тельно маломощной. Эти две части в комбинированных следящих системах называют иногда системами грубого и точного воспроиз­ведения.

В линейных системах управляющие воздействия обеих частей проходят через систему независимо, не искажая друг друга, подчи­няясь принципу суперпозиции.

При наличии в системе нелинейностей воздействия одной части системы могут существенно влиять на прохождение воздействий другой части системы. Принцип суперпозиции в этом случае непри­меним.

Комбинированные системы оказываются более простыми и деше­выми при обеспечении высоких показателей качества, не всегда достижимых в сложных и дорогих системах, построенных с исполь­зованием лишь одного принципа регулирования по отклонению упра­вляемой величины. На базе комбинированных систем построены сле­дящие системы, обладающие весьма высокой динамической точностью и это в основном, и привлекло внимание исследователей и практиков к вопросам управления по возмущению.

В комбинированных линейных системах выбор параметров можно осуществить на основании следующих рассуждений. Предположим, что на комбинированную систему действует основное возмущение F (t) и второстепенные возмущения — помехи f (t) (рис. 15.3). Основное возмущение компенсируется управляющим воздействием по разом­кнутой цепи, помехи отрабатываются замкнутой цепью, реагирующей на отклонение регулируемой величины от заданного значения.

Системы автоматического управления с несколькими управляемыми величинами

В современной технике приходится иметь дело с объектами, в ко­торых нужно управлять одновременно несколькими величинами. В технической литературе применительно к системам с несколькими управляемыми величинами, как правило, применяется термин регу­лирование, которым в дальнейшем изложении и будем пользоваться. Примерами объектов с несколькими регулируемыми величинами являются:

1. паровой котел, у которого регулируемыми величинами являются давление и температура пара, уровень воды; регулиру­ющими величинами — подача топлива и воды; возмущающей вели­чиной — расход пара;

2. генератор переменного тока, у которого регулируемыми величинами являются напряжение и частота; регу­лирующими величинами — подача воды или пара в турбину и напря­жение возбуждения; возмущающей величиной — нагрузка генера­тора;

3. горный комбайн, у которого регулируемыми величинами являются производительность комбайна и мощность, развиваемая приводным двигателем; регулирующими величинами - скорость подачи и скорость резания; возмущающей величиной – крепость угольного пласта.

Для поддержания значений регулируемых величин в объекте на заданном уровне или для изменения их по заданному закону уста­навливаются регуляторы и дополнительные устройства, которые вместе с регулируемым объектом образуют систему автоматического регулирования с несколькими регулируемыми величинами.

Системы с несколькими регулируемыми величинами делятся на системы несвязанного и связанного регулирования. Системами несвязанного регулирования называются такие, в которых регуляторы, предназначенные для регулирования различных величин, не связаны друг с другом и могут взаимодействовать только через общий для них регулируемый объект.

Системы несвязанного регулирования делятся на зависимые и независимые.

Зависимыми называют такие системы, у которых изменение любой одной регулируемой- величины влечет за собой изменение всех остальных регулируемых величин. Например, изменение уровня воды в котле влечет за собой изменение давления и температуры пара; изменение давления пара влечет за собой изменение его темпе­ратуры и уровня воды.

Независимыми называют такие системы, у которых изменение любой одной регулируемой величины не вызывает изменения осталь­ных регулируемых величин. Например, изменение напряжения отдельно работающего генератора не влечет за собой изменения час­тоты переменного тока.

В независимых системах процессы регулирования отдельных величин можно рассматривать изолированно, анализ и синтез их могут производиться методами, изложенными в предыдущих главах для систем с одной регулируемой величиной.

Системами связанного регулирования называют такие, у которых регуляторы различных регулируемых величин связаны друг с дру­гом конструктивно и помимо регулируемого объекта.

Системы связанного регулирования и зависимые системы несвя­занного регулирования, т. е. все системы, у которых регулируемые величины как-то связаны между собой, называются многосвязными системами регулирования. Этим системам может быть дано следу­ющее определение. Многосвязными называются системы автоматиче­ского регулирования с несколькими регулируемыми величинами, которые связаны между собой через регулируемый объект, регулятор или нагрузку.

В системах связанного регулирования связи между регуляторами могут быть построены различным образом. Эти связи могут обеспе­чивать постоянное соотношение между регулируемыми величинами при изменении любой из них, могут обеспечивать и неизменность всех регулируемых величин при изменении любой одной из них, обеспечивая автономность регулирования.

Автономной системой регулирования называется такая многосвязная система, у которой связи между регуляторами таковы, что изменение одной регулируемой величины в процессе регулирования не вызывает изменения остальных регулируемых величин.

Многосвязные системы нельзя рассматривать как простую сумму систем с одной регулируемой величиной. Для многосвязных систем разработана специальная теория, в которой предлагаются специаль­ные методы исследования таких систем. Рассмотрим принципы, поло­женные в основу исследования многосвязных систем.

В объектах многосвязных систем автоматического регулирования по каждой регулируемой величине имеется свой отдельный выход. Количество входов должно быть не меньше количества выходов, в некоторых случаях входов может быть больше, чем выходов. По каждой регулируемой величине образуется своя система регули­рования и при этом каждой регулируемой величине должен соответ­ствовать один исполнительный орган и один регулятор.

Регулируемый объект подвергается также внешним возмущениям, которые воздей­ствуют на все или только на некоторые регулируемые величины. Кроме того, все регулируемые величины взаимодействуют между собой. Математическое описание процессов регулирования в многосвязных системах оказывается достаточно сложным. Чтобы несколько упростить математические выражения, применяется матричная форма записи системы дифференциальных уравнений.