1.1.1. Системы автоматического регулирования, их схемы, принцип работы, этапы разработки. Примеры.

Цель управления в общем случае задается с помощью некоторого функционал Q(y, ) и она может быть а) экстремальной и б) не экстремальной:

а) Q(y, )  extr; б) Q(y, ) J*;

Управление с простейшей не экстремальной целью вида y(t)y*(t) называется регулированием. Оно решает задачу изменения значений выходных координат ОУ y(t) в соответствии с предписанным законом y*(t). Эта составляющая цели управления называется задающим воздействием.

В зависимости от характера изменения во времени задающего воздействия y*(t) различают три вида систем автоматического регулирования (САР):

1. Системы стабилизации: y*(t) = const.

2. Программные системы: y*(t) – известная функция времени.

3. Следящие системы: y*(t) – неизвестная (или случайная) функция времени.

В САР управляющее воздействие u(t) формируется в общем случае в соответствии с принятым алгоритмом управления

u(t) = ₀(y*(t), y(t), f(t)). (1.3)

Однако в тех случаях, когда ОУ является однонаправленным (изменение выхода не влияет на его вход) и реверсивным (т.е. изменения выхода чувствительны к знаку приращения входа) оказывается более рациональным формировать u(t) в зависимости не от значений y(t), а от разности (отклонения) (t) = y(t) –­ y*(t):

u(t)= ₀(y*(t), (t), f(t)). (1.4)

Алгоритм управления в этом случае называют законом регулирования, а отклонение (t) – рассогласованием или ошибкой.

Обобщенная структура САР, соответствующая этому закону регулирования изображена на рис. 1.1. Блок формирования u(t) в соответствии с (1.4) называется р егулятором. Возможные частные случаи этой обобщенной структуры соответствуют следующим способам (принципам) управления.

1. Управление по замкнутому циклу (по отклонению, по ошибке, с единичной отрицательной обратной связью) – связи 2) и 3) разомкнуты.

2. Управление по разомкнутому циклу – связи 1), 2) и 3) разомкнуты.

3. Управление по разомкнутому циклу с компенсирующей связью по возмущению – связи 1) и 3) разомкнуты.

4. Комбинированное управление с компенсирующей связью по возмущению – связь 3) разомкнута.

5. Комбинированное управление с дополнительной компенсирующей связью по задающему воздействию – связь 2) разомкнута.

Основным, базовым вариантом для построения (синтеза) САР является обобщенная структура с единичной отрицательной обратной связью, в которой реализуется принцип управления по отклонению. Преимущество его в том, что он не требует измерения возмущений и точной математической модели ОУ. Однако наличие замкнутого контура передачи воздействий существенно усложняет динамические свойства САР и требует специальных методов их обеспечения.

Дополнительные связи 2) и 3) используют на последующих этапах синтеза САР для повышения точности воспроизведения задающего воздействия и уменьшения влияния возмущений на характер изменения управляемых переменных.

Функциональная структура САР, отражающая функции управляющего устройства в общем случае имеет вид, представленный на рис. 1.2.

Для систем стабилизации и программных систем блок 1 заменяется задающим блоком, который формирует заранее известный закон изменения задающего воздействия, а для следящих систем – это воспринимающий блок.

Если функциональная структура САР выбрана, то следующим этапом разработки САР является выбор технических устройств (конструктивных блоков), обеспечивающих выполнение перечисленных выше функций УУ. При этом возможны случаи, когда одно устройство (или конструктивный блок) выполняет несколько функций или, наоборот, одна функция УУ реализуется несколькими устройствами или конструктивными блоками. Схема САР, отражающая состав УУ на уровне конструктивных блоков называется блок-схемой.

Схема САР, отражающая принцип действия каждого конструктивного блока (устройства) называется принципиальной схемой.

Для начала работ по созданию САР должны быть заданы а) объект управления ОУ и его алгоритм функционирования АФ; б) общие сведения о диапазонах и характере изменений внешних воздействий f(t); в) требования к качеству процесса функционирования САР (критерий оценки качества).

Разработка САР осуществляется в следующей последовательности:

• изучение особенностей ОУ и его алгоритма функционирования;

• уточнение и математическая формулировка цели управления;

• выбор принципа управления и обобщенной структуры САР;

• составление соответствующей функциональной структуры;

• выбор технических устройств для реализации этих функций (сначала без корректирующего блока) – получение блок-схемы САР;

• получение принципиальной схемы САР;

• составление математического описания (модели) для каждого конструктивного блока и для всей САР;

• анализ свойств не скорректированной САР. При этом, как правило, такая система не обеспечивает выполнение заданных требований по качеству процесса управления;

• выбор закона регулирования (расчет корректирующего устройства); иногда это могут быть простые "типовые" законы регулирования: пропорциональный (П), пропорционально-интегральный (ПИ), пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД);

• выбор способа реализации корректирующего устройства.

Примеры САР

а) Схема САР скорости вращения двигателя постоянного тока

б) Схема САР температуры в нагревательной печи

Классификация САУ

Существующие и вновь создаваемые САУ столь разнообразны, что для систематизации знаний о них (с целью последующего изучения или проектирования) принято подразделять их на определенные классы. С каждым из них связаны терминология, определения и специальный раздел теории управления. Подразделение САУ на классы неоднозначно и зависит от используемых классификационных признаков. Такими признаками могут быть а) тип устройств и характер рабочих сигналов; б) тип математических моделей (описаний) используемых для теоретического исследования САУ; в) вид и особенности применяемого управления.

По типу применяемых технических устройств и сигналов САУ можно разделить на непрерывные (с модуляцией и без модуляции) и дискретные (цифровые и импульсные);

По типу математической модели САУ делятся на линейные и нелинейные; стационарные и нестационарные; детерминированные и стохастические; непрерывные и дискретные; с сосредоточенными и с распределенными параметрами.

По виду управления САУ делят на разомкнутые и замкнутые; автоматические и автоматизированные; экстремальные и не экстремальные (в простейшем случае – это САР); оптимальные и неоптимальные; адаптивные и неадаптивные; многомерные и одномерные; многоуровневые (с иерархической организацией управления) и одноуровневые. Во многих случаях САР являются подсистемами нижнего (исполнительного) уровня в составе многоуровневых САУ.