5.4 Пример реализации принципов управления
Для большей наглядности рассмотрим сущность описанных принципов на примере управления температурой в печи с электронагревателем (рис. 5.4). Допустим, что печь имеет малые размеры и температура Т в печи в любой момент одинакова.
Управляемой величиной является средняя температура Тср, а управляющей – сила тока J в электронагревательном элементе. Возмущающими воздействиями являются колебания напряжения в сети Uс (основное возмущение), изменения сопротивления нагревательного элемента R, изменения теплоемкости и теплопроводности печи, также изменения температуры окружающей среды Тср.
1) В разомкнутой системе управления оператор задает уставку силы тока Jзад в соответствии с инструкцией.
2) В компенсирующей системе управления (рис. 5.4, а) оператор не получает информации о температуре в печи Т, но он знает, как изменится величина Т при определенном изменении напряжения в сети Uс. Измеряя величину Uс, он передвигает движок Д автотрансформатора АТ и устанав-
а)
б)
Рис. 5.4. Система автоматического управления
температурой печи с электронагревателем
ливает требуемое значение напряжения Uн, компенсируя тем самым влияние возмущающего воздействия.
3) В системе с обратной связью (рис. 5.4, б) при помощи термометра с термопарой ТП и усилителя УС измеряется управляемая величина – температура в печи Т. Если величина Т меньше требуемой Тзад , то оператор увеличивает напряжение Uн , и наоборот. Здесь для формирования управляющего воздействия используется отклонение текущего значения величины Т от требуемого значения Тзад.
5.5 Оптимальное и адаптивное управление
Оптимальные САУ – это системы, в которых обеспечивается оптимальное значение основного показателя качества работы системы, например, длительность переходного процесса, точность отработки управляющего воздействия или минимизация потребляемой мощности объекта управления. В ряде технологических процессов показатель качества, или эффективность, выражается в каждый момент времени функцией характеристик системы. Эта функция может быть представлена в виде многомерной поверхности в фазовом пространстве параметров. При этом управление может считаться оптимальным, если оно обеспечивает удержание показателя качества в точке экстремума.
Эта точка под воздействием различных возмущений может смещаться в каком-то определенном направлении, но при этом неизвестно, в каком именно направлении следует воздействовать на регулирующий орган, чтобы вернуть систему к экстремуму. Обычно для осуществления экстремального управления выполняются сначала небольшие пробные движения, затем анализируется реакция на них системы и, по результатам анализа, вырабатывается управляющее воздействие.
На рисунке 5.6 приведена функциональная схема с поиском оптимального управления. Блок измерения показателя эффективности БИПЭ, измеряющий параметры процесса и вычисляющий по ним показатель качества J = f (y1,…,yn), подключен к выходу объекта управленияОУ. Блок пробного воздействия БПВ генерирует воздействия Vi на регулирующие
Рис. 5.6. Схема оптимального управления с поиском
органы РО. Вычислительный блок ВБ, получая информацию как о граничных условиях, различных ограничениях на параметры и введенных воздействиях, так и об изменении под их влиянием J, вырабатывает необходимые воздействия Ui.
Для достижения цели управления регулятор может не только вырабатывать управляющие воздействия на объект, но и изменять свои собственные свойства: параметры, структуру, закон регулирования. При этом меняются свойства системы в целом. Имеются в виду так называемые контролируемые или предусмотренные изменения, а не такие, которые происходят из-за случайных ошибок измерения, старения элементов и т.п.
Обыкновенные системы не изменяют своих свойств во время эксплуатации. Их свойства назначаются в процессе проектирования, исходя из некоторых типовых или наиболее вероятных условий работы и сохраняются неизменными при отклонении реальных условий от предусмотренных при проектировании. Следовательно, процесс управления, являющийся оптимальным для предусмотренных условий, не является таковым для непредусмотренных случаев. В таком случае перенастройку системы должен производить человек.
Приспосабливающиеся или адаптивные системы обладают способностью самостоятельно улучшать свои свойства в процессе эксплуатации. Если система автоматически изменяет свои параметры – ее называют самонастраивающейся, а если дополнительно она изменяет и свою структуру – имеем самоорганизующуюся систему.
Область применения адаптивных САУ – управление объектами, свойства и условия работы которых недостаточно известны или очень динамичны.