60 Вопросов 60 ответов

1. Алгоритм работы системы управления с отрицательной обратной связью.

С принципом управления по обратной связи мы постоянно имеем место и в быту и в своей профессиональной деятельности. Выявляя по каким-то критериям, что текущая ситуация нас не устраивает, и, принимая меры к исправлению ситуации, мы производим управление по обратной связи.

Представим ситуацию, что мы находимся в холодной комнате, в которой имеется электрический нагреватель с регулируемой мощностью. Чтобы быстро поднять температуру в комнате мы может включить его на полную мощность. Через какое-то время мы почувствуем, что температура превышает желаемое значение, и мы уменьшаем мощность нагревателя. Спустя какое-то время, мы снова почувствуем, что температура в комнате превышает или наоборот опустилась ниже желаемого значения, и производим изменение мощности нагревателя в сторону понижения или повышения. Произведя несколько раз корректировку мощности нагревателя, мы находим такое ее значение, которое создает при существующих условиях теплового баланса комфортные для нас условия. Наши действия являлись управлением температурой в помещении по принципу обратной связи, когда решение о применении корректирующего воздействия, в данном случае изменение мощности нагревателя, принимается по результатам анализа состояния системы относительно требуемого (заданного) значения.

Часто мы производим управление процессами по обратной связи на подсознательном уровне, как само собой разумеющееся. Чтобы выявить и формализовать закономерности данного процесса рассмотрим хорошо всем известный пример ручного регулирования температуры воды в процессе мытья посуды на кухне.

На рисунке 1 приведена схема смесителя воды. Холодная вода ХВ на входе смесителя имеет параметры – расход , температуру, давление. Соответствующие параметрыимеет горячая вода ГВ. Пусть мы открыли краны холодной К1 и горячей воды К2 и настроили какой-то удовлетворяющий нас расход воды на выходе смесителя. Следующим шагом является настройка и поддерживание температуры воды. Температура должна иметь какое-то значение, назовем ее заданным значением, при котором вода хорошо отмывается жир и не обжигает руки. Подставляя руки под поток воды специально или в процессе мытья очередной тарелки, мы всегда ощущаем значение температуры по отношению к какому-то подсознательно заданному значению. При снижении или повышении температуры воды мы производим корректировку положения крана К2 горячей воды. При этом угол корректировки положения головки крана зависит от отклонения температуры воды от комфортного ее значения. Для изменения температуры воды после корректировки положения крана требуется какое-то время (пусть и малое в данном случае) для изменения режима смешения и выхода температуры на новое значение, обусловленные измерением расхода горячей воды. После выхода температуры на новое значение мы можем повторить процедуру регулирования.

Полученный цикл операций может быть представлен в виде замкнутого алгоритма, выполнение которого обеспечивает заданное значение температуры воды:

1. Задать заданное значение температуры воды .

2. Измерить текущее значение температуры .

3. Сравнить с текущей температуройи определить ошибку.

4. Определить величину корректировки управляющего воздействия, которая должна определяться величиной ошибки.

5. Реализовать изменение расхода горячей воды на смесителе.

6. Выждать какое-то время для выхода температуры на новое значение.

7. Вернуться к пункту 2 и повторить цикл операций.

Повторение цикла операций необходимо вследствие двух причин. Первая заключается в том, что в начальной стадии процесса регулирования, возможно, потребуется несколько циклов для получения заданного значения температуры воды на выходе смесителя. Вторая – после (или в процессе) вывода температуры на заданное значение возможны изменения температуры горячей воды, давления холодной или горячей воды и другие изменения параметров, которые приводят к изменению температуры воды на выходе смесителя при установленном соотношении их расходов и потребуются новые циклы корректировки расхода горячей воды для возврата температуры на заданное значение.

Структурная схема реализации данного алгоритма приведена на рис. 2. Обратим внимание, что регулируемый процесс смешения горячей и холодной воды имеет несколько показанных выще входных параметров. Один из них - расход горячей воды используется в качестве управляющего воздействия, остальные остались неиспользуемыми. Их изменение приводит к нарушению теплового баланса, отклонению температуры воды на выходе от заданного значения и необходимости повторения циклов процесса регулирования. Именно для выдерживания постоянного значения температуры воды при их изменении и нужна система управления. Суммарное влияние этих параметров называется возмущающим воздействием, его принято обозначать малой буквойf. Эти неконтролируемые возмущения могут прилагаться к любом месте системе управления, в том числе на датчике, управляющем устройстве и т.д. Но, так как их влияние проявляется в отклонении выходной регулируемой переменной, их часто рассматривают в виде суммарного возмущения, прикладываемого к регулируемой переменной на выходе объекта управления.