Питання та завдання для самоконтролю.

1. Що являє собою САУ?

2. Назвіть два основні принципи побудови САУ?

3. Назвіть можливі структури систем автоматики.

4. Що являє собою телемеханіка, телекерування?

5. Дайте визначення такому терміну, як програмне керування?

2.6. Класифікація систем автоматичного управління

Метою управління ТП може бути: стабілізація деякої фізичної величини, зміна її за заданою програмою або, в складніших випадках, оптимізація деякого узагальненого критерію: найбільша продуктивність процесу, найменша собівартість продукту і так далі.

Рис. 18. Структурні схеми систем ручного (а) і автоматичного (б) управління:

1 - об'єкт управління; 2 - вимірювальний прилад; 3 - оператор; 4 - регулюючий орган;

5 - елемент, що управляє; 6 - задатчик; 7 – виконавчий механізм.

У найпростішому випадку (Рис. 18а) управління ТП здійснюється оператором 3, який на підставі свого досвіду і орієнтуючись за свідченнями контрольно-вимірювальних приладів 2 оцінює хід процесу по вихідним параметрам Y(t) і приймає заходи, дії X(t) з метою усунення впливу зовнішніх збурень X_В(t), що діють на об'єкт управління. Природно, результати ТП в цьому випадку залежать від кваліфікації і сумлінності оператора.

Структурні схеми автоматичних СУ представляють у вигляді ланцюжка елементів, кожен з яких схильний до дії одного або декількох вхідних дій, внаслідок чого змінюються вихідні параметри цього елементу.

Зазвичай елементи володіють детектуючими властивостями, коли вихідні величини не впливають на вхідні. Але можливі також випадки, коли вихідні параметри впливають на вхідні. Це має місце у тому випадку, коли елемент охоплений зворотним зв'язком.

Структурні схеми автоматичних СУ (Рис. 18б) в простому випадку включають два елементи: об'єкт управління 1 (спільно з регулюючим органом 4) і пристрій УУ, що управляє (на рисунку обведено пунктиром). У схему УУ входять вимірювальний перетворювач (датчик) 2, що вимірює регульовану величину і що перетворює її в певний сигнал певної фізичної природи (електричної, механічної і ін.); задатчик 6; елемент, що управляє 5, що підсилює і перетворює відхилення керованої величини Y(t) від заданого значення У_О відповідно до закладеного в нього алгоритму; виконавчий механізм 7, що виконує команду елементу, що управляє, 5 по зміні положення регулюючого органу 4, здійснює управління витратою речовини або енергії в ОУ.

На вхід елементу (регулятора), що управляє, 5, подається сигнал, за значенням рівний різниці ε(t) поточного значення керованої величини і її заданого значення. Керована величина Y(t) знаходиться під дією одного або декількох збурюючих дій Х (t), частина яких може контролюватися.

Класифікація автоматичних СУ можлива по різних ознаках, наприклад так, як це показано на рисунку 19.

Рис. 19. Класифікація систем автоматичного управління (САУ).

Перша з ознак — призначення інформації, відповідно до якого автоматичні СУ ділять на замкнуті і розімкнені.

Замкнуті системи використовують поточну інформацію про вихідні величини, визначають відхилення керованої величини Y(t) від її заданого значення Y_О і приймають дії до зменшення або повного виключення відхилень. Простим прикладом замкнутої системи регулювання по відхиленню служить показана на рис. 20а система стабілізації рівня води в баку. Система складається з вимірювального перетворювача (датчика) 2 рівні, пристрою 1 управління (регулятора) і виконавчого механізму 3, керівника положенням регулюючого органу (клапана) 5.

Ознака замкнутої системи, що діє на відхилення регульованої величини, — зворотний зв'язок з виходу ОУ на його вхід. Замкнуті системи цього типу компенсують будь-які збурення, оскільки регулятор контролює тільки відхилення регульованої величини незалежно від причини, що його викликала. Вони не можуть забезпечити рівність вихідної величини Y(t) заданому значенню Y_О продовж всього часу t управління, оскільки їх принцип роботи пов'язаний з наявністю відхилення (Y(t) – Y_О).

Розімкнені автоматичні СУ діляться на системи з жорсткою програмою і з управлінням по збуренню. Приклад систем першого типу — система автоматичного пуску і зупинки комплексу машин, що входять в технологічну лінію, в якій повинна витримуватися певна послідовність (програма) роботи окремих механізмів, при цьому зворотній зв’язок (ЗЗ) з виходу об'єкту на його вхід відсутній.

У розімкнених автоматичних СУ, що діють по збуренню, управління здійснюється на підставі інформації про вхідні дії (що збурюють). У показаній на рисунку 20б системі таким збуренням є зміна тиску води в подаючому трубопроводі.

Рис. 20. Функціональні схеми автоматичних СУ з управлінням по відхиленню (а), по збуренню (б) і комбіноване управління (в):

1 – регулятор; 2, 4 – вимірювальні перетворювачі; 3 – виконавчий механізм;

5 – регулюючий орган

У реальних системах можлива компенсація одного або декількох збурень, що піддаються вимірюванню. Якщо таких збурень декілька, то для компенсації кожного з них необхідний свій контур регулювання. При цьому завжди залишиться частина збурень, зокрема випадкових і неконтрольованих, які можуть викликати відхилення регульованої величини Y(t) від заданої.

Вихід з цього - поєднання обох принципів управління (по збуренню і відхиленню). Таку систему називають комбінованою (рис. 20в), її перевага в порівнянні з системою, що діє по відхиленню, в кращій стабілізації регульованої величини.

Стабілізуючі системи підтримують керовану величину на заданому рівні. Програмні - змінюють керовану величину за заданою програмою. Ті, що стежать - забезпечують вимірювання керованої величини в певному співвідношенні до задаючої дії.

За методом управління автоматичні СУ ділять на ті, що пристосовуються (адаптивні), ті, що не пристосовуються до умов роботи ОУ і екстремальні.

Автоматичні СУ що пристосовуються, або адаптивні, цілеспрямовано змінюють алгоритми управління або параметри дій, що управляють, для досягнення якнайкращого управління об'єктом. Оскільки в процесі роботи таких систем відбувається зміна їх алгоритмів і (або) структури, то їх називають також самоналагоджувальними. Окремий випадок систем, що пристосовуються, — екстремальні, завдання яких — автоматичний пошук максимуму або мінімуму керованої величини.

Наступна ознака класифікації пов'язана з результатом роботи системи в сталому стані. Відповідно до нього автоматичні СУ ділять на статичні і астатичні.

У статичних системах після закінчення перехідного процесу існує різниця між заданим значенням керованої величини і її значенням для сталого стану, яку називають статичною помилкою. Статична помилка — неодмінна ознака таких систем, причому величина її залежить як від величини збурення, так і від параметрів налаштування регулятора.

У астатичних системах керована величина після закінчення перехідного процесу рівна заданому значенню. Можливе відхилення (помилка управління), властиве реальним системам автоматики, обумовлене недосконалістю її елементів.

По характеру зміни дій, що управляють, в часі автоматичні СУ ділять на безперервні і приривчасті, або дискретні.

У безперервних системах керована величина і дія, що управляє — безперервні функції часу.

Приривчасті автоматичні СУ поділяють на релейні, імпульсні і цифрові.

У релейних (позиційних) системах один з елементів, звичайно це пристрій (УУ), що управляє, має істотно нелінійну (релейну) характеристику, відповідно до якої дія, що управляє, змінюється стрибкоподібно при певному значенні керованої величини. Така, наприклад, система управління водонагрівачем, в якій регулятор температури включає електронагрівач при зниженні температури води до визначуваного налаштуванням регулятора значення.

Імпульсні автоматичні СУ мають в своєму складі ланку, що перетворює керовану величину в дискретну імпульсну. При цьому керованій величині пропорційна амплітуда або тривалість імпульсів.

У цифрових системах формування дій, що управляють, здійснюється цифровими обчислювальними пристроями, які оперують не з безперервними сигналами, а з дискретними числовими послідовностями.

Наступна ознака класифікації — число керованих величин. Відповідно до цієї ознаки автоматичні СУ ділять на одновимірні і багатовимірні. Одновимірні мають по одній вхідній і вихідній величині, а багатовимірні — по декілька.

По вигляду диференціального рівняння автоматичні СУ поділяють на лінійні і нелінійні. До лінійних відносять системи, поведінка яких описується лінійними диференціальними рівняннями. Оскільки систем, абсолютно точно описуваних лінійними диференційними рівняннями, практично не існує, сюди відносять також лінеаризовані системи, що описуються лінійними диференційними рівняннями приблизно, при деяких допущеннях і обмеженнях. До нелінійних відносять системи, поведінка яких описується нелінійними диференціальними рівняннями, причому в системі досить мати всього один нелінійний елемент, щоб вся вона стала нелінійною.