5. Принципы построения и классификация систем управления.

Классификация автоматических систем управления может быть осуществлена по различным принципам и признакам, характеризующим назначение и конструкцию систем, вид применяемой энергии, используемые алгоритмы управления и функционирования и т.д.

В зависимости от характера изменения задающего воздействия во времени автоматические системы управления разделяются на три класса: стабилизирующие, программные и следящие системы.

Стабилизирующая автоматическая система управления (система стабилизации) — это система, алгоритм функционирования которой содержит предписание поддерживать значение управляемой величины постоянным:

x(t)  u(t) = const (1)

Знак приблизительного равенства означает, что управляемая величина поддерживается на заданном уровне с некоторой ошибкой.

Алгоритм функционирования программной автоматической системы содержит предписание изменять управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией времени f_п(t):

x(t)  u(t) = f_п(t). (2)

Следящая автоматическая система управления предназначена для изменения управляемой величины в соответствии с изменениями другой величины, которая действует на входе системы и закон изменения которой заранее не известен:

x(t)  u(t) = f_c(t), (3)

где f_c (t) — произвольная функция времени.

В стабилизирующих, программных и следящих системах цель управления заключается в обеспечении равенства или близости управляемой величины x(t) к ее заданному значению u(t).

В зависимости от конфигурации цепи воздействий различают три вида систем управления: с разомкнутой цепью воздействий, с замкнутой цепью и комбинированные.

В автоматической системе управления с разомкнутой цепью воздействий (кратко — разомкнутая система) входными воздействиями управляющего устройства являются только внешние (задающие и возмущающие) воздействия, т.е. в них не осуществляется контроль управляемой величины.

Разомкнутые системы можно разделить в свою очередь на два класса: системы, осуществляющие управление в соответствии с изменением только задающего воздействия (рисунок 1.2, а), и системы, управляющие при изменении возмущения (рисунок 1.2, б).

Алгоритм управления разомкнутой системы первого типа имеет вид

y(t) = A_y [u(t)]. (5)

Системы первого типа работают с достаточной эффективностью только при условии, если влияние возмущений на управляемую величину невелико и все элементы разомкнутой цепи обладают достаточно стабильными характеристиками.

В системах управления по возмущению (рисунок 1.2, б) управляющее воздействие зависит от задающего и возмущающего воздействий:

y(t) = A_y [u(t), z(t)], (6)

причем в большинстве случаев оператор А_у может быть разделен на две не зависящие друг от друга составляющие:

y(t) =A_з[u(t)] + A_в[z(t)]. (7)

a z(t) в z(t)

u(t) y(t) x(t) u(t) y(t) x(t)

б z(t) г z(t)

x(t)

y(t) x(t) u(t) y(t)

u(t)

Рисунок 1.2 - Функциональные структуры систем управления с разомкнутой (а, б), замкнутой (в) и комбинированной (г) цепями воздействия

В автоматической системе с замкнутой цепью воздействий, (кратко — замкнутая система или система с обратной связью) на вход управляющего устройства поступают как внешнее (задающее) воздействие, так и внутреннее (контрольное). Обобщенная функциональная структура замкнутой системы изображена на рисунке 1.2, в.

Управляющее воздействие в замкнутой системе формируется в большинстве случаев в зависимости от величины и знака отклонения истинного значения управляемой величины от ее заданного значения:

y(t) = A_y[(t)], (8)

где (t)=x(t)–u(t) — сигнал ошибки (называемый также сигналом рассогласования). Замкнутые системы называют часто системами управления по отклонению.

В замкнутой системе контролируется непосредственно управляемая величина и тем самым при выработке управляющих воздействий учитывается действие всех возмущений, влияющих на управляемую величину. Принцип действия замкнутых систем (принцип управления по отклонению) допускает нежелательные изменения управляемой величины: вначале возмущение должно проявиться на выходе, система «почувствует» отклонение и только потом выработает управляющие воздействия, направленные на устранение отклонения. Такая «медлительность» снижает эффективность управления.

В комбинированных системах (рисунок 1.2, г) создают две цепи воздействий — по заданию и по возмущению, и управляющее воздействие формируется согласно оператору

y(t) = A_з[(t)] +A_в[z(t)]. (1.11)

В зависимости от способа выработки управляющих воздействий замкнутые системы разделяются на поисковые и беспоисковые.

В беспоисковых системах управляющие воздействия вырабатываются в результате сравнения истинного значения управляемой величины с ее заданным значением.

В поисковой системе основные управляющие воздействия формируются с помощью пробных управляющих воздействий и путем анализа результатов пробных воздействий.

Наиболее часто принцип автоматического поиска применяют для управления объектами, характеристики которых имеют экстремальный характер. Целью управления является отыскание и поддержание управляющих воздействий, соответствующих экстремальному значению управляемой величины. Такие системы поиска называют экстремальными системами.

Особый класс систем управления образуют системы, которые способны автоматически приспосабливаться к изменению внешних условий и свойств объекта, обеспечивая при этом необходимое качество управления путем изменения структуры и параметров управляющего устройства. Они называются адаптивными или самоприспособляющимися системами. В составе адаптивной системы управления имеется дополнительное автоматическое устройство, которое меняет алгоритм управления основного управляющего устройства таким образом, чтобы автоматическая система в целом осуществляла заданный алгоритм функционирования.

По виду сигналов, действующих в системах, автоматические системы разделяют на непрерывные и дискретные. Дискретные системы в свою очередь разделяются на импульсные, релейные и цифровые.

Автоматические системы управления, у которых управляемая величина в установившемся режиме зависит от величины возмущающего воздействия, называются статическими, а системы, у которых не зависит, — астатическими.

По виду дифференциальных уравнений, описывающих элементы систем, последние разделяют на линейные и нелинейные. В линейной системе все элементы описываются линейными алгебраическими и дифференциальными уравнениями.

Автоматическая система управления является нелинейной, если хотя бы один ее конструктивный элемент (или одно ее алгоритмическое звено) описывается нелинейным уравнением.