Принципы автоматического управления

Управление может осуществляться с различными целями. В зависимости от целей управления возможны следующие виды управления.

1. Стабилизация – управление с целью поддержания заданного постоянного значения управляемой величины объекта управления.

2. Программное управление – обеспечение заданного изменения во времени управляемой величины. Управляемая величина в этом случае должна изменяться по известной функции времени.

3. Слежение  управление с целью изменения управляемой величины таким образом, чтобы она воспроизводила бы изменения некоторой измеряемой величины, закон изменения которой заранее неизвестен.

4. Оптимальное управление – управление, при котором перевод объекта управления из произвольного исходного состояния в заданное состояние осуществляется оптимально в соответствии с выбранным критерием оптимальности (например, за минимальное время или с минимальными затратами энергии).

5. Экстремальное управление – автоматическое обеспечение экстремального значения выходной величины объекта управления в изменяющихся условиях его функционирования.

6. Адаптивное управление – автоматическое изменение характеристик управления таким образом, чтобы объект управления функционировал бы наилучшим образом при изменяющихся условиях функционирования и изменяющихся характеристиках самого объекта управления.

Первые три вида управления являются простейшими и получили название автоматического регулирования.

В зависимости от учёта при управлении состояния управляемого объекта управление может быть:

• разомкнутым,

• замкнутым.

При разомкнутом управлении управляющее воздействие формируется устройством управления без учета фактического значения управляемой величины. Управляющее воздействие определяется на основе цели управления и известных характеристик объекта. Такое управление называется жестким. Разомкнутое управление может применяться для стабилизации и программного управления. Система управления при этом разомкнута.

П ри замкнутом управлении управляющее воздействие формируется в непосредственной зависимости от управляемой величины. Управляемая величина в этом случае постоянно контролируется и в системе управления имеется обратная связь с выхода объекта управления на вход устройства управления. Система управления в этом случае замкнута.

Структура разомкнутой системы показана на рис. 14а. Разомкнутая жесткая система управления применяется в том случае, когда свойства объекта полностью известны, все внешние воздействия на объект контролируются и их влияние может быть сведено к нулю. Замкнутая система осуществляет управление на основе измерения рассогласования между заданным характером изменения управляемой величины и действительными её значениями (рис. 14б).

В зависимости от учитываемых при определении управляющих воздействий величин управление может быть трёх видов:

• управление по отклонению (по ошибке);

• управление по возмущению;

• комбинированное управление.

При управлении по отклонению устройство управления контролирует управляемую величину y(t) объекта управления и сравнивает её с заданным значением v(t), вычисляя отклонение

.

По величине отклонения (ошибке) определяется необходимое для устранения ошибки управляющее воздействие

,

где A – оператор, определяемый используемым законом управления.

С труктура системы управления по ошибке показана на рис. 15б. При управлении по возмущению предполагается известной детерминированная связь между возмущением, действующим на объект, и его выходной величиной. Устройство управления контролирует возмущение и по его величине определяет управляющее воздействие на объект управления, необходимое для компенсации этого возмущения (рис. 15а):

.

При управлении по возмущению устройство управления может компенсировать действие только тех возмущений, которые контролируются. Возможности такого управления ограничены. Достоинством управления по возмущению является то, что устройство управления не ждёт возникновения отклонения, а предотвращает его появление. Последнее обстоятельство обуславливает большее быстродействие и точность управления.

Наилучшие результаты достигаются при комбинированном управлении (рис. 15в). В этом случае для устранения влияния наиболее существенных возмущений используется управление по возмущению, а влияние всех остальных факторов на состояние объекта управления контролируется с помощью управления по отклонению. Устройство управления (регулятор Р) в этом случае будет иметь наибольшую сложность.

В настоящее время всё более широкое распространение получает адаптивное управление объектами. При адаптивном управлении осуществляется автоматическое изменение параметров, структуры или алгоритма управления устройства автоматического управления для обеспечения выбранного критерия оптимальности функционирования системы при произвольно изменяющихся внешних воздействиях и переменных параметрах объекта.

А даптивное управление позволяет либо получить стабильное качество управления, либо оптимизировать управления в изменяющихся условиях функционирования и при изменении характеристик объекта управления. Последнее обстоятельство весьма актуально при серийном выпуске устройств управления, когда характеристики конкретного объекта управления заранее неизвестны.

Пример структуры системы адаптивного управления показан на рис. 16, где 1  устройство контроля внешнего воздействия, 2  исполнительное устройство, 3  устройство контроля состояния процесса, 4  логический элемент. Логическое устройство 4 контролирует условия функционирования объекта управления и его фактические характеристики и изменяет настройки регулятора Р таким образом, чтобы обеспечить оптимальное функционирование объекта.

Задачи теории автоматического управления

Теория автоматического управления изучает общие принципы построения автоматических систем и методы их исследования, независимо от физических процессов, протекающих в этих системах. Основными задачами теории управления являются исследования статических (или установившихся) и динамических свойств автоматических систем и разработка систем, свойства которых удовлетворяют заданным требованиям. При создании системы автоматического управления необходимо оценить её ожидаемое поведение при эксплуатации и предусмотреть такие технические решения устройства управления, которые обеспечили бы достижение требуемого результата управления во всех предусмотренных случаях функционирования объекта управления.

У правление представляет собой процесс, протекающий в реальном времени функционирования объекта управления. Этот процесс характеризуется изменением состояния объекта управления, изменением управляющих воздействий, изменением возмущений и т.д. Характер таких изменений может быть различным, в том числе и недопустимым с точки зрения цели функционирования объекта. Все эти особенности необходимо выявить ещё до реализации системы автоматического управления.

На рис. 17 показаны процессы, возможные в системе автоматического регулирования скорости вращения вала паровой машины при разных характеристиках регулятора. Характеристики регулятора могут меняться в процессе его изготовления и настройки. Управляемой величиной в рассматриваемом примере является угловая скорость вращения вала паровой машины. За единицу принята номинальная скорость вращения вала.

График 1 относится к случаю, когда при подаче пара в паровую машину она медленно и плавно набирает обороты выходного вала до установления заданной скорости вращения. На внешние возмущения регулятор в этом случае будет реагировать медленно и переходные процессы в системе растягиваются во времени.

В случае 2 переходный процесс в системе также плавный, но протекает существенно быстрее, чем в первом случае. Следовательно, регулятор будет быстро реагировать на возникающие возмущения, плавно и быстро устраняя их последствия. Быстродействие системы высокое.

В случае, иллюстрируемом графиком 3, переходный процесс носит колебательный характер. Заданная скорость вращения устанавливается медленно, и процесс сопровождается периодическими колебаниями скорости вращения, которые постепенно затухают. При этом на начальном отрезке процесса наблюдается существенное превышение заданной скорости вращения вала, или перерегулирование. Перерегулирование, как правило, нежелательное свойство системы автоматического управления. Колебательный процесс приводит к возникновению в системе знакопеременных динамических нагрузок, что является нежелательным свойством системы с колебательным переходным процессом.

В случае 4 процесс в системе также носит колебательный характер, однако с течением времени процесса колебания не только не затухают, но, наоборот, их амплитуда возрастает. Вал паровой машины в этом случае будет вращаться в неустойчивом режиме: то останавливаясь, то набирая предельную скорость вращения. Использовать паровую машину в таком режиме нельзя и система автоматического управления становится неработоспособной. Системы с подобными свойствами называют неустойчивыми.

При проектировании системы автоматического управления необходимо стремиться получить наилучший процесс в системе так, чтобы нужный режим устанавливался бы плавно и за минимальное время. Проектируемая система должна иметь достаточно высокое быстродействие. Кроме того, отклонения управляемой величины от заданного значения (ошибка системы) не должны превышать допустимых значений. Система автоматического управления должна обеспечивать требуемую точность управления.

Во всех случаях система автоматического управления должна быть устойчивой и адекватно реагировать на задающие воздействия, переходя при изменении уставок в требуемый установившийся режим работы. При выводе системы из состояния установившегося равновесия внешними возмущениями, система автоматически должна возвращаться в это состояние.

Предметом изучения теории автоматического управления являются методы, позволяющие описывать свойства системы автоматического управления математическими методами, исследовать поведение автоматической системы с использованием её математической модели и создавать системы автоматического управления с заданными свойствами.

Методы теории автоматического управления позволяют решать следующие задачи для систем автоматического управления:

• аналитическое описание свойств системы автоматического управления и процессов в системе (математическая модель системы);

• исследование свойств системы и особенностей процессов в ней с использованием математической модели системы (задача анализа системы);

• создание системы автоматического управления с заданными свойствами, определяющими быстродействие системы и точность управления (задача синтеза системы).