Классификация систем автоматического управления

Структурная схема одноконтурной САУ промышленным объектом управления приведена на рис. 1.1. Основными элементами ее являются: АР - автоматический регулятор, УМ - усилитель мощности, ИМ - исполнительный механизм, РО - регулируемый орган, СОУ - собственно объект управления, ИПУ - измерительно-преобразовательное устройство, ЗУ - задающее устройство, ЭС - элемент сравнения.

Рис.1.1. Функциональная схема САУ

координаты (переменные) системы: g(t) – задающее воздействие; y(t) – управляемая (регулируемая) величина; f(t) – возмущающее воздействие; е(t) - рассогласование (ошибка); u(t) – управляющее воздействие.

Характерной особенностью схемы является наличие ИПУ, обеспечивающего работу автоматического регулятора со стандартными значениями тока или напряжения. Измерительно-преобразовательное устройство выполняет следующие функции: преобразует нестандартный входной сигнал в стандартный выходной; осуществляет фильтрацию входного сигнала; осуществляет линеаризацию статической характеристики датчика с целью получения линейного диапазона.

Для расчетных целей исходную схему упрощают до схемы, включающей в себя только АР - регулятор, Э –элемент сравнения и ОУ - объект управления. Здесь под объектом управления уже понимается неизменяемая часть системы, состоящая из измерительно-преобразовательного устройства, исполнительного механизма, регулирующего органа и собственно объекта управления.

По количеству входных и выходных величин и их взаимосвязи объекты делятся на одномерные (один вход и один выход) и многомерные. Последние могут быть многосвязными - когда наблюдается взаимное влияние каналов регулирования друг на друга, либо несвязные - взаимосвязь между каналами которых мала.

Важным свойством также является поведение параметров системы во времени.

Если в период эксплуатации параметры являются неизменными, то система считается стационарной, в противном случае - неста­ционарной, например, переменный момент инерции электропривода, потокосцепление в двигателе и т.д. Кроме того, особо выделяются системы с распределенными параметрами, т.е. такие системы, которые содержат распределенные в пространстве элементы, например, длинные электрические линии и т.д.

В зависимости от основной цели задачи управления САР классифицируются следующим образом: системы стабилизации, система программного управления, следящие системы.

В системах стабилизации рабочий параметр объекта (регулируемая величина) поддерживается постоянным во времени при постоянном задании. В системах программного управления рабочий параметр объекта изменяется во времени по заранее известному закону, а соответствии с которым изменяется задание.

В следящих системах рабочий параметр объекта изменяется во времени по заранее неизвестному закону, который определяется каким-то внешним независимым процессом.

В зависимости от количества регулируемых величин системы могут быть одномерными (одна регулируемая величина) или многомерными (несколько регулируемых величин).

По свойствам ошибки (отклонения) в установившемся режиме различают статические и астатические системы. Свойство астатизма системы рассматривают по отношению к конкретному воздействию.

Система, в кото­рой величина установившейся ошибки зависит от величины возмущения при постоянном задании, называется статической по возмущению. Если установившаяся ошибка не зависит от величины возмущения, то система является астатической 1-го порядка. Если установившаяся ошибка не зависит от первой производной возмущающего воздействия, то система является астатической 2-го порядка. Кроме того, различают статизм и астатизм по задающему воздействию. При этом возмущение считается постоянным, и установившаяся ошибка рассматривается в зависимости от величины задающего воз­действия.

Для повышения показателей работы САУ применяется одно- и многоконтурное регулирование с использованием жестких (действуют как во время переходного процесса, так и в установившемся режиме) и гибких (действуют только во время переходного процесса) обратных связей.

В зависимости от способов формирования управляющего воздействия различают следующие принципы управления: по возмущению; по отклонению управляемой величины от требуемого значения; принцип комбинированного управления.

Система с принципом управления по возмущению является разомкнутой. Принцип управления по отклонению применяется в замкнутых САУ. В технике широко применяют САУ с принципом комбинированного управления, сочетающим принцип управления по отклонению (корректирующее устройство КУ2) и по возмущению (корректирующее устройство КУ1). (рис.1.2) Благодаря такой структуре системы обладают следующими свойствами:

- с помощью компенсационных связей (КУ1) возможно достижение полной компенсации ошибок (инвариантности), вызываемых основными возмущающими и задающими воздействиями;

- наряду с возможностью компенсации ошибок от основных воздействий снижаются ошибки от второстепенных воздействий с помощью обратной связи (КУ2);

- при нарушении условий компенсации ошибка уменьшается замкнутой системой;

- благодаря наличию разомкнутых компенсационных каналов в комбинированной системе не так остро стоит проблема устойчивости, как в замкнутых САУ.

Рис.1.2. Функциональная схема комбинированной САУ

Теория автоматического регулирования является наиболее старым и лучше остальных развитым разделом общей теории управления. Совре­менный этап кибернетики как науки об управлении характери­зуется бурным развитием общей теории управления, объединяющей в себе все аспекты управления. Наиболее важными направлениями ее являются теория оптимальных и адаптивных систем управления, теория сложных систем. Адаптивные системы разделяются на экстремальные, самонастраивающиеся и самоорганизующиеся.

Теория оптимальных систем занимается вопросами построения автома­тических систем, обеспечивающих оптимальные, т.е. наилучшие в определенном смысле результаты. Иногда кибернетику определяют как науку об оптимальном (т. е. наилучшем) управлении.

В любой автоматической системе управляющее устройство решает в общем случае две задачи: 1) на основании приходящей информации «выяс­няет» свойства и состояние управляемого объекта; 2) на основе этих данных определяет, какие действия необходимы для управления. В простейших системах решение одной из этих задач может отсутствовать или иметь при­митивную форму.

Сведения об объекте могут быть получены в готовом виде в качестве информации от человека, либо введением в систему наблюдателей (идентификаторов), либо устройств автоматического поиска в случае экстремальных систем. В последнем случае системы называются системами дуального управления. Это название связано с тем, что управ­ляющее воздействие должно иметь дуальный (двойственный) характер. С одной стороны, оно должно быть в известной мере изучающим, а с другой стороны, также и направляющим, ведущим объект к требуемому состоя­нию.

Автоматическое изменение способа функционирования управ­ляющего устройства, называемое адаптацией или настройкой самоприспосабливающейся системы, требует дополнительных устройств, называемых устройствами или контурами адаптации. В общем виде схема адаптивной системы приведена на рис.1. 3. На основании оценки внешних условий работы и свойств объекта управляющее устройство адаптации УУ_а изменяет струк­туру и параметры основного управляющего устройства УУ₀, обеспечивая требуемое значение критерия качества J(g,y,u,f). Устройство адаптации определяет в зависимости от алгоритма работы отклонение критерия J от заданного или экстремального значения.

Рис. 1.3. Функциональная схема адаптивной системы

Таким образом, УУ_а решает задачи:

а) получения информации о воздействиях и динамических свойствах объекта управления в процессе его работы (получение рабочей или текущей информации) — задача идентификации или опознавания;

б) формирования из полученной информации значения кри­терия качества системы J (текущего критерия адаптации);

в) сравнения текущего значения критерия качества с эталон­ным или экстремальным значением и вычисления соответствую­щего управляющего воздействия;

г) изменения параметров или структуры основного управляю­щего устройства УУ₀ для приведения критерия качества к тре­буемому значению.

Критериями качества в зависимости от назначения системы могут быть точность управления (например, минимум СКО), быстродействие, какой-либо показатель эффективности управле­ния (например, коэффициент полезного действия, расход энергии на управление и др.).

Адаптивные системы, у которых адаптация осуществляется изменением значений параметров управляющего устройства, на­зываются самонастраивающимися; изменением значений пара­метров и структуры управляющего устройства — самоорганизую­щимися. В самоорганизующихся САУ адаптация осуществляется путем выбора структуры, т. е. выбора корректирующего звена или их комбинации из набора определенного числа звеньев изме­няемой части основного управляющего устройства, а затем проис­ходит самонастройка параметров выбранной структуры. Такие системы обеспечивают требуемое качество управления при более широких диапазонах изменения свойств объекта и внешних усло­виях, чем самонастраивающиеся, но более сложны.

САУ целесообразно классифицировать исходя из наиболее общих признаков и их свойств. На рис 1.4. приведена одна из возможных классификаций.

В зависимости от характера электрических сигналов системы могут быть: непрерывными, с гармоническими сигналами и дискретные. Дискретные в свою очередь, могут быть релейными, импульс­ными или цифровыми. Вследствие бурного развития микроэлектроники широкое распространение получили цифровые системы управления, обладающие прежде всего высокой точностью.

По математическому описанию различают:

а) линейные системы;

б) нелинейные системы.

К линейным системам применим принцип суперпозиции, в соответствии с которым выходной сигнал линейной системы на любое произвольное входное воздействие можно определить через ее реакцию на определенное элементарное воздействие.

Нелинейные системы описываются нелинейными дифференциальными уравнениями. Закон управления в такой системе представляет собой нелинейную функцию.

В зависимости от характера электрических сигналов системы могут быть: непрерывными, с гармоническими сигналами и дискретные. Дискретные в свою очередь, могут быть релейными, импульс­ными или цифровыми. Вследствие бурного развития микроэлектроники широкое распространение получили цифровые системы управления, обладающие прежде всего высокой точностью.

В зависимости от характера внешних воздействий (задающего и возмущающего) различают детерминированные и стохастические системы. В детерминированных САР внешние воздействия имеют вид постоянных функций времени. В стохастических системах внешние воздействия имеют в ид случайных функций.

Рис.1.4. Классификация САУ

По виду используемой энергии:

а) электрические системы, обладают удобством и легкостью обработки и передачи информации;

б) пневматические системы, используют энергию сжатого газа и обеспечивают высокое быстродействие;

в) гидравлические системы, используют энергию жидкости и обеспечивают высокую мощность;

г) электропневматические системы;

д) электрогидравлические системы.

Рассмотренные разновидности и свойства являются основными и не исчерпывают всего многообразия САУ.

Все виды САУ требуют обеспечения с заданной точностью совпадения в статике и динамике выходной величины с необходимыми значениями. Отличие лишь в программе изменения необходимых значений. Поэтому основы ТАУ строятся на анализе самых простых систем: систем стабилизации. Научившись анализировать статические и динамические свойства САУ, мы учтем все особенности работы более сложных видов САУ.