4. Класифікація сак

Різноманітність систем автоматичного керування приводить до того, що виникає необхідність їх об’єднати певною системою класів, класифікувати за певними ознаками. Різноманітність ознак САК приводить до того, що існує багато систем їх класифікації. Ми розглянемо найбільш вживані.

І. Класифікація за принципом робота (алгоритмом керування):

• розімкнуті;

• замкнуті;

• комбіновані.

До розімкнутих відносять системи, в яких керування здійснюється за збуренням. Прикладом, такої системи може бути автоматизована районна котельня, яка подає гарячу воду в систему теплозабезпечення мікрорайону. Регулювання температури теплоносія в ній може здійснюватись залежно від температури навколишнього середовища.

До замкнутих відносять системи, яких здійснюється керування за відхиленням. Прикладом таких систем є регулятор Уатта, який було розглянуто раніше.

До комбінованих систем керування відносять ряд складних систем, які встановлюють в автомобілях, в гідро - та теплогенераторах, найрізноманітнішій складній техніці. Ці системи мають декілька контурів регулювання. Приклад такої системи показано на рис. 1.11.

ІІ. Класифікація за кількістю контурів регулювання:

• одноконтурні;

• двохконтурні;

• багатоконтурні САК.

Системи з комбінованим керуванням є багатоконтурні САК.

Ш. Класифікація за характером зміни задаючої величини (за призначенням системи, або за алгоритмом керування). У різних підручниках використовується різна назва:

• системи стабілізації;

• слідкуючі системи;

• системи програмного керування.

Системи стабілізації - це такі системи, в яких задаюча величина є постійною, а завданням системи керування є забезпечення постійного значення вихідної величини. Прикладом таких систем може бути холодильник, АРУ радіоприймача, генератор електричного струму, регулятор швидкості двигуна і т.п.

Слідкуючі системи - це такі системи, в яких вхідна величина змінюється випадковим чином а завданням системи є забезпечення відповідної зміни вихідної величини. Прикладом таких систем є системи керування зенітним вогнем, ракета типу земля-повітря, торпеди, копіри для розкрою металу, тканини і т.п.

Системи програмного керування - це системи у яких задаюча величина змінюється за відомим наперед законом і завданням системи є забезпечення відповідної зміни вихідної величини. Прикладом таких систем є станки з програмним керування, теплові печі для теплової обробки металів і т. п. У принципі їх робота аналогічна слідкуючим системам , але оскільки закон зміни вхідної величині відомий, то такі САК можуть бути дещо простішими за своєю будовою.

ІV. Класифікація за кількістю вихідних координат системи:

• одномірні;

• багатовимірні.

Одномірні системи - це системи, які керують тільки за однією вихідною величиною, наприклад, холодильник, двигун з регулятором швидкості, є одномірними системами.

Багатовимірні системи - це системи, які здійснюють керування за декількома вихідними величинами. Наприклад, САК зенітної ракети здійснює керування як за напрямком руху (азимутом), так і за нахилом до горизонту. САК генератора електростанції виконує керування за частотою та напругою.

Серед багатовимірних САК розрізняють системи зі зв’язаним і з незв’язаним керуванням. САК зенітної ракети має незв’язане керування, оскільки керувати рухом за азимутом може одна системи, а рухом за кутом нахилу до горизонту інша незалежна система. У випадку електричного генератора ситуація дещо складніша, оскільки зміна частоти обертання генератора приводить і до зміни напруги, тому система керування повинна бути дещо складніша, щоб забезпечити потрібну частоту струму при заданій величині напруги. Така система керування є зв’язаною.

V. За характером рівнянь, які описують систему:

• лінійні;

• нелінійні.

Лінійні системи - це системи, які описуються лінійними диференційними рівняннями. Для лінійних систем справедливий принцип суперпозиції. Принцип суперпозиції (накладання) полягає в тому, що реакція системи на суму дій пропорційна сумі реакцій на кожну дію зокрема. Наприклад на рис. 2.6 показано стрілу прогину дошки. Якщо виправдовується правило суперпозиції, то загальна стріла прогину при двох вантажах дорівнює сумі стріл прогину кожного вантажу окремо, і система є лінійною. Принцип суперпозиції може виконуватись в якихось певних межах навантажень. Діапазон, в якому справедливий принцип суперпозиції називають діапазоном лінійності.

Нелінійні системи – це системи, в яких хоча б для однієї ланки не виконується принцип суперпозиції. Такі системи описуються нелінійними диференційними рівняннями. Аналіз їх складніший, ніж лінійних систем. Досить часто вдається звести аналіз нелінійних до аналізу лінійних систем. Методи такого приведення називаються лінеаризацією і будуть розглянуті далі.

Рис. 2.6 – Демонстрація принципу суперпозиції реакції лілійних систем

VІ. За характером дії в часі:

• безперервної дії;

• дискретної дії.

Системи безперервної дії складаються тільки з ланок, в яких вихідна величина плавно змінюється протягом часу.

Системи дискретної дії мають хоча б один елемент вихідна величина, якого замінюється ступенями, навіть при плавні зміні всіх інших величин. Розрізняють такі дискретні системи:

• релейні;

• імпульсні,

• цифрові.

У системах релейної дії вихідна величина змінюється при деяких граничних значеннях вхідної величини, в системах імпульсної дії – через певні проміжки часу, а в цифрових системах і те, й інше.

VII. За зміною параметрів системи в часі САК поділяють на:

• стаціонарні;

• нестаціонарні.

Стаціонарна система - це така система, параметри якої незмінні протягом часу.

Нестаціонарна система має параметри, які змінюються з часом. При математичному описі таких систем деякі коефіцієнти диференційного рівняння динаміки системи є функціями часу.

Реакція стаціонарної системи на одне і те ж збурення не залежить від моменту, коли збурення відбулося. Для нестаціонарних систем реакція системи змінюється з часом.

VIII. За точністю керування:

• статичні;

• астатичні.

Статичні системи мають нульову похибку керування тільки в статичному режимі роботи і відмінну від нуля – при роботі в динамічному усталеному режимі.

Астатичні системи мають відмінну від нуля похибку керування в динамічному режимі. Залежно від характеру похибки вони можуть мати астатизм 1-го. 2-го і вищих порядків.

ІХ. Залежно від наявності додаткового джерела енергії:

• прямої дії;

• непрямої дії.

САК прямої дії не мають додаткових джерел енергії та підсилювачів потужності в системі регулювання.

САК непрямої дії містять підсилювачі потужності і споживають енергію для здійснення керування від зовнішніх джерел.

Х. За способом настройки та реакцією системи на зміну зовнішніх умов:

• не адаптивні;

• адаптивні системи.

Адаптивні системи мають властивість пристосовуватись до зміни зовнішніх умов. Такі САУ використовуються для керування об’єктами властивості, чи умови експлуатації яких недостатньо відомі або суттєво непостійні, наприклад, САК апаратами, які спускаються на віддалені планети сонячної системи. Ці системи найбільш досконалі.

Не адаптивні системи здатності пристосовуватись до зміни зовнішніх умов не мають. У них зміна параметрів з метою забезпечення оптимальності процесу регулювання, або відсутня, або її здійснює людина.

Ознаки класифікації систем і класи систем, що відповідають цим ознакам подано в табл. 1.

Таблиця 1 – Класифікація САК

№ п/п	Ознака класифікації	Класи систем
1	За принципом робота (алгоритмом керування)	замкнуті розімкнуті комбіновані
2	За кількістю контурів регулювання. одно контурні	двох контурні багато контурні
3	За характером зміни задаючої величини	системи стабілізації слідкуючи системи системи програмного керування
4	За наявністю додаткового джерела енергії	прямої дії непрямої дії
5	За кількістю вихідних координат системи	одномірні багатовимірні багатовимірні зв’язані багатовимірні не зв’язані
6	За характером рівнянь які описують систему:	лінійні нелінійні
7	За характером дії в часі	неперервної дії дискретної дії релейної дії імпульсної дії з числовим керуванням
8	За зміною параметрів системи в часі	стаціонарні нестаціонарні
9	За точністю керування	статичні астатичні
10	За способом настройки та реакцією системи на зміну зовнішніх умов:	адаптивні системи не адаптивні

Контрольні запитання для перевірки засвоєння навчального матеріалу

1. В яких режимах працюють САК?

2. Який режим роботи САК називають установленим?

3. Який режим роботи САК називають перехідним?

4. Які динамічні режими роботи САК ви знаєте?

5. Яким вимогам повинні задовольняти САК?

6. Чому стійкість керування є однією з найважливіших характеристик САК?

7. У яких випадках говорять, що система стійка в малому і нестійка у великому?

8. Які принципи керування ви знаєте?

9. У чому особливість керування за збуренням?

10. Що розуміють під поняттям збурююча дія?

11. У чому проявляється збурююча дія?

12. Поясніть як ви розумієте поняття „сигнал”.

13. Чому в ТАК використовують переважно поняття „сигнал” замість поняття „діюча величина”?

14. В яких випадках доцільно використовувати поняття сигнал, а у яких діюча величина?

15. Як ви розумієте поняття стійкість керування?

16. Чи залежить стійкість системи від величини збурення чи зумовлена тільки внутрішніми параметрами системи?

17. Який зв’язок існує між вхідною величиною системи керування та вихідною величиною?

18. Назвіть та зробіть пояснення всіх величин, які використовують для зображення схем автоматичного керування.

19. Які величини в ТАК вважають вихідними?

20. Що розуміють під поняттям точність регулювання?

21. В яких режимах роботи визначають точність регулювання САК?

22. Нарисуйте в прийнятих умовних позначеннях систему ручного керування.

23. Що розуміють під поняттям „зворотній зв’язок”?

24. Наведіть приклади зворотного зв’язку в природі, техніці, суспільстві?

25. Що розуміють під поняттям збурююча дія?

26. Поясніть принцип керування за збуренням.

27. Які недоліки має принцип керування за збуренням?

28. Поясніть принцип керування за відхиленням.

29. Які переваги та недоліки керування за відхиленням?

30. Що таке алгоритм?

31. Який алгоритм керування за збуренням?

32. Алгоритм керування за відхиленням?

33. У чому полягає принцип комбінованого керування?

34. Які дані потрібно мати, щоб здійснити керування за збуренням.

35. У чому недолік керування за збуренням?

36. Які недоліки керування за збуренням усуває керування за відхиленням

37. Яке керування характеризується більшою швидкодією, керування за відхиленням чи керування за збуренням? Поясніть чому це так?

38. Який принцип автоматичного керування раціонально використовувати для забезпечення роботи районної котельні, що опалює район міста? Поясніть ваші міркування.

39. Які недоліки керування за збуренням?

40. Чому при керуванні за збуренням можуть виникати коливання вихідної величини?

41. Як класифікують САК в залежності від зміни в часі задаючої величини?

42. Поясніть поняття принципу суперпозиції.

43. Які системи відносять до лінійних?

44. Які диференційні рівняння називають лінійними?

Розділ 3. Математичний опис САК