1.3. Принципы построения и классификация су

Классификация может быть осуществлена по различным принципам и признакам, характеризующим назначение и конструкцию системы, вид применяемой энергии, используемые алгоритмы управления и функционирования и т. д. Классификация систем по различным основаниям показана на рис. 1.5.

Рассмотрим вначале классификацию систем по наиболее важным для теории управления признакам, которые характеризуют алгоритмы функционирования и управления системы. Этими признаками являются: цель управления и связанный с ней характер изменения задающего воздействия (и соответственно управляемой величины), конфигурация цепи воздействий и принцип выработки управляющих воздействий.

В з а в и с и м о с т и от х а р а к т е р а и з м е н е н и я з а д а ю щ е- г о в о з д е й с т в и я в о в р е м е н и СУ делят на три класса: стабилизирующие, программные и следящие системы.

Стабилизирующая СУ (система стабилизации) – это система, алгоритм функционирования которой содержит предписание поддерживать значение управляемой величины постоянным:

x(t)x_з=const. (1.3)

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

Стабилизирующие системы применяют для стабилизации физических величин, характеризующих состояние технологических объектов. Примером стабилизирующей системы является система управления режимом работы горнодобычной машины (см. рис. 1.2).

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

x(t)x_з(t)= f_п(t). (1.4)

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

x(t)x_з(t)= f_с(t), (1.5)

где f_с(t) – произвольная функция времени.

Следящие системы, называемые также системами позиционирования, используются обычно для дистанционного управления перемещением механических объектов в пространстве.

В стабилизирующих, программных и следящих системах цель управления заключается в обеспечении равенства или близости управляемой величины x(t) к её заданному значению x_з(t). Такое управление, осуществляемое с целью поддержания равенства

x(t)x_з(t), (1.6)

называется регулированием.

Управляющее устройство, осуществляющее регулирование, называют регулятором, а саму систему – системой регулирования.

В з а в и с и м о с т и от к о н ф и г у р а ц и и ц е п и в о з д е й с т в и й различают три вида СУ: с разомкнутой цепью воздействий, с замкнутой цепью и комбинированные.

В СУ с разомкнутой цепью воздействий входными воздействиями УУ являются только внешние (задающие и возмущающие) воздействия.

Разомкнутые системы можно разделить на системы, осуществляющие управление в соответствии с изменением только задающего воздействия (рис. 1.6,а) и системы, управляющие при изменении возмущения (рис. 1.6,б).

Алгоритм управления разомкнутой системой первого типа имеет вид:

y(t)=A_y[x_з(t)]. (1.7)

Системы первого типа работают эффективно лишь при условии, если влияние возмущений на управляемую величину невелико. Примерами таких систем являются системы управления пуском электродвигателей, включением в работу конвейерных линий и т. д.

Рис. 1.6. Функциональные структуры систем управления с разомкнутой (а,б),

замкнутой (в) и комбинированной (г) цепью воздействий

В системах управления по возмущению (см. рис. 1.6,б) управляющее воздействие зависит от возмущающего и задающего воздействий:

y(t)=A_y[x_з(t),z(t)]. (1.8)

В большинстве случаев разомкнутые СУ по возмущению выполняют функции стабилизации управляемой величины. Необходимым условием функционирования таких систем является наличие датчиков возмущений. Преимущество разомкнутых СУ по возмущению – их быстродействие: они компенсируют влияние возмущения ещё до того, как оно проявится на выходе ОУ.

На рис. 1.6,в представлена обобщённая функциональная структура СУ с замкнутой цепью воздействий (кратко – замкнутая система, или система с обратной связью). В такой системе на вход УУ поступают как внутреннее (контрольное) воздействие, так и внешнее (задающее).

Управляющее воздействие в замкнутой СУ формируется в большинстве случаев в зависимости от величины и знака отклонения истинного значения управляемой величины от её заданного значения по алгоритму

y(t)=A_y[(t)], (1.9)

где (t)=x_з(t)x(t) – сигнал ошибки (сигнал рассогласования).

Замкнутые системы называют часто системами управления по отклонению. Преимуществом замкнутых систем является то, что в них контролируется непосредственно управляемая величина, и тем самым при выработке управляющих воздействий учитывается действие всех возмущений. Но из-за наличия замкнутой цепи воздействий в этих системах могут возникать колебания, которые в некоторых случаях делают систему неработоспособной.

В комбинированных системах (рис. 1.6,г) создают две цепи воздействий – по отклонению и по возмущению, и управляющее воздействие формируется согласно оператору

y(t)=A_y[(t)]+А_в[z(t)]. (1.10)

Эффективность работы комбинированной СУ всегда больше, чем у порознь функционирующих замкнутой или разомкнутой систем.

В з а в и с и м о с т и о т п р и н ц и п а в ы р а б о т к и у п р а в л я -ю щ и х в о з д е й с т в и й замкнутые системы делятся на беспоисковые и поисковые.

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

В поисковой системе основные управляющие воздействия формируются с помощью пробных управляющих воздействий и путём анализа этих воздействий. Такую процедуру поиска управляющих воздействий приходится применять в тех случаях, когда характеристики объекта меняются или известны не полностью.

Особый класс СУ образуют системы, которые способны автоматически приспосабливаться к изменению внешних условий и свойств объекта, обеспечивая при этом необходимое качество управления путём изменения структуры и параметров УУ. Такие системы называют адаптивными (самоприспособляющимися).

Рассмотрим кратко классификацию СУ по некоторым дополнительным (неалгоритмическим) признакам.

В з а в и с и м о с т и о т п р и н а д л е ж н о с т и и с т о ч н и к а

э н е р г и и, при помощи которого создаётся управляющее воздействие, системы могут быть прямого и непрямого действия. В системах прямого действия используется энергия управляемого объекта. В системах непрямого действия управляющее воздействие создаётся за счёт энергии дополнительного источника.

П о в и д у с и г н а л о в, действующих в системах, СУ делят на непрерывные и дискретные. Дискретные системы, в свою очередь, делят на импульсные, релейные и цифровые.

СУ, у которых управляемая величина в у с т а н о в и в ш е м с я р е ж и м е зависит от величины возмущающего воздействия, называются статическими, а системы, у которых не зависит, - астатическими.

П о в и д у д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы х у р а в н е н и й, описывающих элементы систем, последние делят на линейные и нелинейные. В линейной системе все элементы описываются линейными алгебраическими и дифференциальными уравнениями, в нелинейной – всегда есть элемент, имеющий нелинейную зависимость выходной величины от входной.