Функциональные и структурные формы объектов

При изображении систем управления применяются два принципа — функциональный и структурный и соответственно схемы подразделяются на функциональные и структурные.

Функциональной схемой называется схема, в которой каждому функциональному элементу системы соответствует определенное звено.

Рисунок 1.19 – Функциональная схема

Динамической структурной схемой называется схема, в которой каждой математической операции преобразования сигнала соответствует определенное звено. В дальнейшем для краткости динамические структурные схемы будем называть просто структурными схемами.

В зависимости от математических операций, выполняемых различными звеньями, для каждого из рассмотренных объектов составляются различные структурные схемы.

Структурные схемы могут быть двух типов: функциональные и операционные. В первом случае каждому функциональному элементу схемы соответствует определенное звено, описываемое математически. При этом на сложность математического описания не накладывается каких-либо ограничений. Во втором случае каждой элементарной ма­тематической операции соответствует определенное звено. Такими элементарными операциями обычно являются: изменение масштаба, изменение знака, интегрирование, дифференцирование, нелинейное преобразование, суммирование и умножение.

Принципы автоматического регулирования (управления)

В зависимости от характера информации, получаемой об объекте в процессе его работы, наличия его математического описания, статических характеристик объекта и главное — задачи, поставленной перед системой автоматического управления, принципы автоматического управления существенно различаются.

Если при рассмотрении объектов управления был получен ответ на вопрос: чем управлять, то теперь ставятся вопросы: с какой целью, как, какими средствами управлять объектом? Задачи, поставленные перед системой управления, можно разделить на следующие группы.

1. Стабилизация.- В этом случае необходимо с заданной точностью поддерживать постоянными те или иные управляемые величины.

2. Программное управление. При этом закон изменения управляемой величины заранее известен и задается оператором, обслуживающим систему управления.

3. Слежение за некоторой измеряемой величиной, закон изменения которой заранее неизвестен. В этом случае управляемая величина должна с заданной точностью воспроизводить измеряемую величину или некоторую функцию измеряемой величины. Такие системы управления называются следящими.

4. Самонастройка системы на оптимум какого-либо из показателей объекта или системы. Это может быть обеспечение и экстремального значения управляемой величины, и максимального быстродействия системы управления путем подстройки ее параметров, и режима работы объекта оптимального в определенном, заданном смысле. Самонастройка может сочетаться со стабилизацией, программным управлением и слежением.

Системы управления разделяются на разомкнутые и замкнутые.

В разомкнутых системах управляющее воздействие задается без учета действительного значения управляемой величины на основании цели управления, характеристик объекта и известных внешних воздействий. Такое управление называется жестким.

В разомкнутых системах управления отсутствует компенсация влияния неконтролируемых возмущений; они применяются для стабилизации и программного управления.

В замкнутых системах управляющее воздействие формируется в не­посредственной зависимости от управляемой величины.

Принцип действия разомкнутых и замкнутых систем управления может быть иллюстрирован двумя примерами управления уровнем жидкости в резервуаре, осуществляемого человеком-оператором (рис. 1.1.10). В первом случае (рис. 1.1.10,а) оператор не получает информации об интересующем его уровне жидкости, но зато знает о том, как этот уровень изменяется с изменением притока жидкости в резервуар. Измеряя расход жидкости g₁ он вычисляет необходимое положение клапана, регулирующего приток жидкости u₁ и устанавливает соответствующее открытие клапана.

Во втором случае (рис. 1.1.10, б) оператор получает информацию об уровне жидкости y₁ ив зависимости от отклонения уровня от требуемого значения v₁ изменяет положение клапана, регулирующего приток жидкости и₁.

Рисунок 1.1.10- Управление уровнем жидкости в резервуаре

Первый принцип регулирования называется регулированием по возмущению, а второй — регулированием по отклонению. Указанные функции человека-оператора успешно и с большими скоростями действия выполняются автоматическими устройствами — регуляторами.

Стабилизация. В зависимости от информации об управляемом объек­те и о внешних воздействиях на него задача стабилизации может решаться различными путями. Если все внешние воздействия на объект контролируются и могут быть измерены, а свойства объекта и его динамические характеристики известны, то управление может вестись по возмущению. Функциональная схема устройства, управляющего по возмущению, показана на рис. 1.1.11, а. Здесь неконтролируемые воздействия отсутствуют и задача управления решается путем нахождения функции

при которой обеспечивается условие

(1.1.23)

где у_эт — эталонное (требуемое) значение управляемой величины, со­ответствующее заданию v.

Регулятор, выполняющий условие (1.1.23), обеспечивает стабилизацию регулируемых величин или их инвариантность, т. е. независимость от внешних воздействий. Для примера, изображенного на рис. 1.1.10, а, регулятор выполняет функции человека-оператора.

При наличии неконтролируемых возмущений и при недостаточно полном математическом описании объекта регулирование по возмущению не может обеспечить стабилизации управляемой величины. В этом случае применяется принцип управления по отклонению, реализуемый в замкнутой системе управления. Схематически устройство управления по отклонению показано на рис. 1.1.11, б.

Управляющее воздействие на объект и зависит от разности е между управляемой величиной у и заданием v и направлено в сторону уменьшения этой разности. Задание на управляемую величину v может быть либо равно требуемому значению у, либо несколько превышать эту величину для того, чтобы обеспечить значение е, необходимое для работы регулятора. Для примера, показанного на рис. 1.1.10, б, регулятор выполняет функции человека-оператора.

Для повышения точности систем автоматического управления применяются комбинированные системы управления, сочетающие принципы управления по отклонению и возмущению (рис. 1.1.11, в). В дальнейшем основное внимание будет обращено на системы управления при неконтролируемых возмущениях, поскольку они требуют применения принципа управления по отклонению, делающего управляемую величину практически не зависящей от внешних возмущений.

Программное управление. Программное управление какой-либо управляемой величиной в зависимости от наличия математического описания объекта и неконтролируемых внешних воздействий также может осуществляться разомкнутыми и замкнутыми системами.

Если существует точное математическое описание объекта, а все внешние воздействия контролируются и путем регулирования по возмущению их влияние может быть сведено до нуля, то программное управление объектом осуществляется по разомкнутой системе жесткого управления. При этом управлении задается такой закон изменения управляющей величины, который обеспечивает требуемый закон изменения управляемой величины.

Пусть требуется, чтобы управляемая величина у изменилась во времени по закону .

Рисунок 1.1.11 – Устройство управления	Рисунок 1.1.12 – Схемы разомкнутой системы программного управления(а) и замкнутой системы управления(б)

Тогда с помощью уравнений, описывающих объект, можно вычислить требуемый закон изменения управляющей величины и (t). Приме­нение программного устройства, задающего эту зависимость, обеспечивает выполнение требуемого условия.

Зависимость и (t) можно определить автоматически с помощью специального вычислительного устройства. На рис. 1.1.12, а показана схема разомкнутой системы программного управления, на вход которой подается задающее воздействие v (t); с помощью модели вычисляется зависимость и (t), необходимая для обеспечения зависящего от v (t) эталонного закона управления y_эт (t), которая подается на управление объектом.

Любая неточность математического описания объекта или наличие неконтролируемого воздействия на объект приводит к нарушению соответствия между у (t) и y_эт (t), и к невыполнению требуемого закона изменения управляемой величины.

При наличии неконтролируемых воздействий применяется принцип программного управления по отклонению. Системы, реализующие этот принцип, представляют собой замкнутые системы управления. В их регуляторе (рис. 1.1.12, б) сравниваются две величины [значение заданной управляемой координаты v (t) и фактическое значение управляемой координаты у (t)| и вырабатывается такое управляющее воздействие и (t), которое обеспечивает минимальное значение рассогласования:

(1.24)

В программных регуляторах функция v (t) задается с помощью некоторого программного устройства.

Рассмотренные ранее системы автоматической стабилизации являются частным случаем программных систем регулирования, в которых программа не зависит от времени, т. е.

Слежение. Слежение за изменениями измеряемой величины v (t), например угла поворота вала, скорости его вращения или какой-либо иной физической величины, выполняется с помощью следящих систем.

Основным требованием, предъявляемым к следящим системам, является минимум погрешности б (t), определяемой как разность между заранее неизвестным законом v (t) и управляемой величиной у (t). Следящие системы обычно представляют собой замкнутые системы управления по отклонению. В них задающее воздействие v (однозначно определяет В частных случаях

Самонастройка (адаптация). Задачи, ставящиеся перед самонастраивающимися, или адаптивными, системами управления, значительно сложнее и разнообразнее, чем задачи, решаемые рассмотренными системами автоматического управления.

Первой задачей является поддержание экстремума управляемой величины. Для этой цели на объект подаются пробные воздействия со стороны управления бы, анализируется знак изменения управляемой величины у и производится управляющее воздействие, приближающее режим к точке экстремума. Таким образом, система управ­ления автоматически поддерживает режим, близкий к оптимальному, при котором Устройства, обеспечивающие режим работы управляемого объекта, близкий к оптимальному, называются автоматическими оптимизаторами, или экстремальными регуляторами.

Схематически система экстремального управления объектом показана на рис. 1.1. 13, а. Такие системы применяются для объектов, имеющих экстремальные характеристики и существенные, но медленно меняющиеся неконтролируемые факторы, приводящие к изменению экстремальных характеристик. При этом можно считать, что за время прихода к экстремуму характеристика управления объектом существенно не изменяется.

Второй задачей самонастройки является поддержание оптимальной работы системы регулирования по условию максимального ее быстродействия. В этом случае показателем экстремума является время, в течение которого система приходит в соответствие с изменением задающего воздействия. Это время может анализироваться с по­мощью специального устройства самонастройки, изменяющего параметры регулятора таким образом, чтобы время регулирования стало минимальным. Схематически рассматриваемая система показана на рис. 1.1.13, б. Здесь воздействие, изменяющее параметры регулятора, обозначено через М. Определение времени регулирования производится с помощью пробных изменений задающего воздействия bv.

Рисунок 1.1.13 – Система экстремального управления объектом

Объект вместе с регулятором можно рассматривать как объект экстремального управления более высокой категории, управляемый устройством самонастройки. Показатель качества переходных процессов в системе регулирования, вычисляемый в устройстве самонастройки на основании вводимых в нее величин у и R, а также вырабатываемых изменений управляющих воздействий δv, является управляемой вели­чиной, а некоторый настраиваемый параметр регулятора М — управляющей. Таким образом, рассматриваемая система может быть представлена в виде двух систем, из которых одна управляет другой. Поскольку самонастраивающиеся системы имеют двойственное значение, так как сочетают изучение объекта и управление им, они называются устройствами дуального управления.

До настоящего времени самонастраивающиеся автоматические системы получили относительно небольшое распространение из-за их сложности. Однако быстрое развитие принципов построения надежных вычислительных устройств, моделей для запоминания и преобразования сигналов, а также применение цифровых вычислительных машин для задач управления и выпуск специальных управляющих машин открывают широкие перспективы для построения самонастраивающихся систем.