Лекція 2 Основні принципи автоматичного керування

2.1 Принцип керування за збуренням

2.2 Принцип керування за відхиленням

2.3 Принцип комбінованого керування

2.1 Принцип керування за збуренням

Робота усіх типів САК, приклади яких було розглянуто в лекції 1, заснована тільки на двох принципах керування, а саме:

1. керуванні за збуренням;

2. керуванні за відхиленням.

Крім цього використовують і:

3. комбіноване керування.

Розглянемо ці принципи керування.

Керування за збуренням

Функціональна схема такого керування показана на рис. 2.1.

Рис.2.1 – Керування за збуренням

Тут ПК – пристрій керування (або регулятор), О – об’єкт керування, Uз(t) – задаючий сигнал, Uкер(t) – сигнал керування, Uвих(t) – вихідний сигнал, fз(t) – сигнал збурення. Керування у даній системі здійснюється з урахуванням значення збурюючої величини. Величина збурення вимірюється і сигнал про її значення подається на вхід керуючого пристрою. Керуючий пристрій аналізує значення сигналу збурення і виробляє керуючу дію на об’єкт керування. Сигнал цієї дії показано на функціональній схемі у вигляді стрілки Uкер(t). Такий принцип керування має назву принципу Пенселе – Ніколаєва. Його деколи називають компенсаційним керуванням. Назва відображає той факт, що в даному випадку в результаті керування компенсується вплив збурюючої величини.

а)

б)

Рис. 2.2 – Регулятори напруги генератора

а) з використанням лампового каскаду, б) з використанням операційного підсилювача.

2.2 Принцип керування за відхиленням

Схема керування за відхиленням показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3 – Керування за відхиленням

Тут показано зворотній зв’язок. На виході системи вимірюється значення вихідної величини. Сигнал про це значення подається на пристрій керування. Пристрій керування виробляє керуючий сигнал, який залежить від різниці задаючого сигналу та вихідного сигналу (сигналу зворотного зв’язку). Такий принцип керування має назву принцип Ползунова – Уатта.

2.3 Принцип комбінованого керування

САУ, що діє за таким принципом, являє об’єднання двох розглянутих систем керування. На пристрій керування подається сигнал про значення збурення і сигнал про значення вихідної величини. Для кожного сигналу існує свій контур регулювання. Разом ми маємо комбіновану систему регулювання, комбінацію двох розглянутих принципів керування. Приклад такої комбінованої системи регулювання показано на рис. 1.11.

Розглянемо переваги й недоліки принципів керування.

При керуванні за збуренням сигнал збурення безпосередньо поступає на пристрій керування. Пристрій керування аналізує цей сигнал, автоматично виробляє потрібну дію на об’єкт і повертає його у заданий режим роботи. Алгоритм такого керування можна записати, таким чином.

1. Визначити, який потрібен режим роботи системи згідно із задаючим сигналом.

2. Поміряти величину збурюючої дії.

3. Подати сигнал про величину збурюючої дії на керуючий пристрій.

4. Визначити, згідно з даними які є в керуючому пристрої, яка повинна бути дія на об’єкт, щоб він працював у потрібному режимі (щоб вихідна величина мала потрібне значення) при цій величині збурюючого сигналу.

5. Виробити керуючу дію на об’єкт керування з урахуванням потрібного режиму роботи і величини збурення.

Перевагою такого керування є швидкодія. Як тільки величина збурення почала змінюватися, керуючий пристрій одразу реагує на цю зміну. Таке керування не допускає зміни режиму роботи об’єкта. Але для цього принципу керування властиві певні недоліки. По-перше, збурюючих дій на об’єкт може бути декілька, наприклад, навантаження, зміна температури середовища чи інших його характеристик. Для забезпечення надійного керування потрібно враховувати кожну з величин збурення і для кожної будувати своє коло регулювання. Це практично здійснити неможливо, адже на роботу будь-якого об’єкта може впливати безліч причин.

По-друге, для здійсненням керування за збуренням необхідно повністю знати залежність реакції системи на збурюючу дію будь-якої величини й ввести цю залежність в алгоритм роботи регулятора. Тобто розробка регулятора передбачає попереднє вивчення поведінки системи при різних збуреннях, що не завжди можна здійснити з потрібним ступенем точності.

Алгоритм керування за відхиленням можна описати таким чином:

1. Визначити, який потрібен режим роботи системи згідно із задаючим сигналом.

2. Виміряти значення вихідної величини.

3. Подати сигнал про вихідну величину на керуючий пристрій.

4. Визначити відхилення вихідної величини від потрібної.

5. Виробити керуючий сигнал на пристрій керування, який залежить від величини відхилення вихідної величини від потрібного значення.

Тут керування здійснюється залежно від різниці між значенням вихідної величини, і значенням задаючої величини. Воно здійснюється незалежно від причини, яка викликає це відхилення. Не важливо, скільки є збурюючих дій і яка з них викликала відхилення режиму роботи. Керування здійснюється тільки залежно від значення різниці величин і може враховувати будь-які впливи на систему. В цьому є перевага керування за відхиленням.

Недоліками керування за відхиленням є інерційність (відставання в часі регулюючої дії від зміни збурення), яка веде до виникнення коливань та нестабільності системи.

Можливість виникнення коливань зумовлює інерційність системи. Дійсно, пристрій керування починає діяти на об’єкт тільки тоді, коли режим роботи об’єкта зміниться, коли з’явиться різниця між значенням вихідної величина – Uвих(t) та задаючої величини – Uз(t). Тоді пристрій керування виробляє керуючу дію – Uкер(t), яка залежить від різниці сигналів:

Uкер(t) = f(Uвих(t) – Uз(t)) (2.1)

Якщо уявити, що об’єктом керування є турбіна гідроелектростанції діаметром понад 10 м і масою декілька десятків тонн, то керування за відхиленням почне діяти тільки тоді, коли в результаті зміни навантаження впаде на помітну величину швидкість обертання турбіни і система керування помітить це зменшення швидкості. Тобто керуюча дія відстає від причини, яка викликає зміну стану об’єкта. Результатом відставання за часом керуючої дії від зміни збурення є можливість появи коливань у системі. Пояснити це можна так: якщо змінилась величина збурення, то система керування починає діяти тільки тоді, коли вихідна величина об’єкта змінить своє значення. Дія системи керування приводить до того, що вихідна величина об’єкта починає змінюватись в протилежний бік. Ця дія буде до того часу, доки відхилення режиму роботи об’єкта не стане протилежним, ніж викликане збуренням. Тоді система керування почне діяти знову до повернення системи в початковий стан, але вже з протилежної величини відхилення. Це аналогічно тому, як у розглянутому прикладі навчання водіїв автомобіля. У результаті під час регулювання в системі виникають коливання вихідної величини. Амплітуда цих коливань з часом може зменшуватись або збільшуватись, залежно від характеристик системи. Тобто даний принцип керування, при всіх своїх добрих характеристиках, може бути причиною виникнення коливань в системі і її нестійкості.

Системи, в яких реалізовано принцип керування за відхиленням, прийнято називати замкнутими системами. У них існує зворотній зв’язок між виходом системи та пристроєм керування.

На противагу системи керування за збуренням називають розімкнутими, оскільки в них відсутній зворотній зв’язок.

Системи, в яких немає подачі ні сигналу збурення на пристрій керування, ні сигналу зворотного зв’язку, є системами ручного керування, вони не відносяться до систем автоматичного керування.

Тож, зробимо висновок лекції. В основі алгоритмів керування, що використовуються в техніці, лежать три фундаментальні принципи:

1. Принцип розімкнутого керування - керування здійснюється на основі заданого алгоритму функціонування і не контролюється за фактичним значенням величини, що керується:

2. Принцип керування за відхиленням (принцип зворотнього зв’язку) – автоматичне керування:

U(t) = F() (t)= x₀(t) –x(t)

F та  повинні мати однаковий знак.

Регулятор створює головний зворотний зв’язок. (Принцип зворотного зв’язку – універсальний: діє в техніці, природі, суспільстві)

3. Принцип регулювання за збуренням (принцип компенсації):

z(t)- збурення. (t)=f(u,z).

Керування виробляється в функції збурення z так, щоб його дія на всю систему компенсувалась.

Система регулювання за збуренням в порівнянні з системами, що діють за відхиленням, відрізняються більшою стійкістю та швидкодією. До їх недоліків відносять складність вимірювання навантаження в великих системах, неповне врахування збурень (компенсуються тільки ті, що вимірюються). На практиці використовують комбінацію даних принципів.

Контрольні запитання для перевірки засвоєння навчального матеріалу

1. Поясніть принцип керування за збуренням.

2. Які недоліки має принцип керування за збуренням?

3. Поясніть принцип керування за відхиленням.

4. Які переваги та недоліки керування за відхиленням?

5. Що таке алгоритм?

6. Який алгоритм керування за збуренням?

7. Алгоритм керування за відхиленням?

8. У чому полягає принцип комбінованого керування?

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

10. У чому недолік керування за збуренням?

11. Які недоліки керування за збуренням усуває керування за відхиленням

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

13. Які недоліки керування за збуренням?

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