Что характеризует функциональная схема системы автоматического управления

1.2 Функциональная схема сау

Функциональная схема отображает функциональные связи в системе управления, составляется на основе описания работы САУ.

Рисунок 2 — Функциональная схема торможения электропоезда

В функциональную схему вошли следующие элементы:

БСВ – бак со сжатым воздухом;

ТКл – тормозной клапан;

ТК – тормозная колодка;

1.3 Структурная схема сау

Структурная схема системы автоматического управления отражает связь между элементами и информацию о передаточной функции.

Для составления структурной схемы необходимо определить передаточные функции элементов САУ.

Таблица 1 — Передаточные функции элементов САУ

Бак со сжатым воздухом

Рисунок 3 — Структурная схема торможения электропоезда

2 Исследование линейной сау

2.1 Расчет передаточной функции линейной системы

Передаточная функция системы рассчитывается по формуле:

Для расчетов используем программу Mathcad.

2.2 Определение устойчивости линейной сау по критерию Гурвица

(устойчивость систем по Рауссу, Михайлова, если не устойчива по Евсюкову и подобрать коэффициенты к1 и к2 )

Для устойчивости системы необходимо и достаточно, чтобы все миноры определителя Гурвица были положительны. По коэффициентам характеристического уравнения составляется определитель Гурвица.

L(p)= (4)

Составим определитель Гурвица

Произведем вычисление миноров в определителе Гурвица

, (5)

. (6)

Система является устойчивой, так как все коэффициенты характеристического уравнения положительны и миноры определителя Гурвица также являются положительными.

2.3 Переходный процесс линейной системы и определение показателей качества

Переходная функция системы h(t) – это функция определяющая изменение выходной величины системы, при подаче на вход единичного ступенчатого воздействия.

Используя математический редактор MathCAD, построим переходный процесс системы.

(7)

Рисунок 4 — Переходный процесс линейной системы

2.4 Построение АЧХ линейной системы и определение показателей качества

Используя математический редактор MathCAD, построим амплитудно-частотную характеристику системы.

Заменим в уравнении (3) :

Рисунок 5 — Амплитудно–частотная характеристика линейной системы

2.5 Определение показателей качества системы

Для определения прямых оценок качества системы воспользуемся переходным процессом (рисунок 4)

• Время регулирования – это время регулирования, за которое переходной процесс выходит в 5%-трубку.

t_р=1,94 с

• Время первого согласования – это время, за которое система в первый раз достигает установившегося состояния.

t_с=14,8 с

• Установившееся значение регулируемой величины

h_уст=97,1

• Время нарастания – это время, при котором выходная величина достигает максимального значения.

t_н=5,88 с

• Максимальное значение регулируемой величины

h_max=101.02

• Колебательность – это число колебаний системы от момента воздействия на нее до перехода в установившееся состояние.

n=4

• Величина перерегулирования находится по формуле:

Для определения косвенных оценок качества системы воспользуемся АЧХ системы (рисунок 5).

• Частота среза – это частота, при которой амплитуда равна единице.

6,53 с -1

• Резонансная частота – это частота, при которой амплитуда имеет максимальное значение.

1,75 с -1

• Максимальное значение амплитуды:
• 
• Амплитуда при нулевой частоте:

А(0)=97.32

• Показатель колебательности:

• Полоса пропускания:

• Время регулирования:

1,92 cp> W=tf([4.16 97.32],[0.39 0.552 1.568 1]) Transfer function: 4.16 s + 97.32 ———————————- 0.39 s^3 + 0.552 s^2 + 1.568 s + 1 >> bode(W) φ(ω) L(ω) (W ω, Гц Рисунок 6 — ЛАЧХ линейной системы Запас устойчивости по амплитуде . Запас устойчивости по фазе 2.7 Аппроксимация ЛАЧХ линейной системы и определение передаточной функции 0 дБ/дек — 40 дБ/дек Рисунок 7 — Аппроксимация ЛАЧХ линейной системы Передаточная функция аппроксимированной ЛАЧХ имеет вид: , (10) (11) С учетом коэффициентов выражение (9) примет вид: 2.8 Вывод по исследованию линейной системы В ходе исследования линейной системы была получена передаточная функция системы. Определили, что система является устойчивой по критерию устойчивости Гурвица. Построили переходный процесс и АЧХ системы, определили показатели качества. При помощи математического редактора MATLAB построили ЛАЧХ системы и определили запасы устойчивости. 3 ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЫ 3.1 Преобразование нелинейной системы Р ТКл П ТК К НЭ БСВ Рисунок 8 — Функциональная схема САУ с нелинейным элементом График, описывающий нелинейный элемент приведен на рисунке 10. Рисунок 9 — Релейная статическая характеристика нелинейного элемента Применяя правила преобразования структурных схем, упростим схему, изображенную на рисунке 9: Рисунок 10 — Упрощенная схема нелинейной системы Введем вынужденную обратную связь: — Рисунок 11 — Итоговое преобразование САУ с нелинейным элементом С учетом всех преобразований W_общ (p) примет вид:

2. Функциональная схема. Основные элементы систем управления

При реализации всех шагов алгоритма с помощью технических средств получают систему автоматического регулирования. Системы управления представляются в виде функциональных и структурных схем. Функциональная схема системы управления включает технологическую схему управляемого процессу с нанесенными элементами системы управления и связями между ними. Функциональная схема возможной системы управления температурой воды на выходе смесителя приведена на рисунке 3.

Система автоматического управления включает следующие элементы (рис. 3).

1. Объект управления – управляемый процесс, который характеризуется своими закономерностями и рядом входных и выходных переменных.
2. Задатчик Зад – устройство для формирования заданного значения регулируемой переменной.
3. Датчик Д – устройство для измерения текущего значения регулируемой переменной.
4. Элемент сравнения ЭС – устройство для определения отклонения регулируемой переменной от заданного значения.
5. Управляющее устройство УУ – вычислительной устройство, определяющее по изменению ошибки во времени значения управляющего воздействия, включающие при необходимости наблюдатели, фильтры, прогнозирующие и другие корректирующие устройства.
6. Исполнительный механизм ИМ – устройство, обеспечивающее передачу управляющего воздействия на регулирующий орган.
7. Регулирующий орган кран К2 — устройство, непосредственно изменяющее значение регулирующего параметра.

1. Усилитель – устройство для согласования сигналов по уровню сигнала, по мощности.
2. Преобразователь- устройство для преобразования сигналов одного вида энергии в другой с целью согласования работы различных по виду используемой энергии элементов системы.

3. Структурная схема системы управления. Сигналы, действующие в системах

Каждый элемент имеет вход и выход (входов и выходов может быть несколько). Они связаны закономерностями, определяемыми физическими принципами работы элементов и их конструкцией. В смысле зависимости выходных сигналов от входных говорят, что элементы системы управления производят преобразование сигналов. Для анализа закономерностей работы элементов системы и преобразования сигналов используют структурные схемы. На структурных схемах элементы системы изображают в виде прямоугольников, а передача информации между элементами изображается в виде линий связи между ними. В прямоугольниках элементов системы показывают математические закономерности преобразования входного сигнала в выходной. Сигналы между элементами в свою очередь характеризуются своими закономерностями, в том числе, временными и спектральными характеристиками. На структурной схеме также показывают элементы и точки схемы, к которым прикладываются внешние воздействия – задающее воздействие, возмущающие воздействия (их может быть несколько), ошибки элементов при измерении и преобразовании сигналов в виде случайных процессов. Выходными сигналами структурной схемы (системы управления) являются регулируемая переменная, ошибка регулирования. Структурная схема рассматриваемой системы регулирования представлена на рис. 4. На структурной схеме прямоугольниками изображены все рассмотренные выше элементы, а стрелками показаны сигналы, действующие в системе:

1. Регулируемая переменная – выходная величина объекта управления, управление которой является целью работы системы управления.
2. Регулируемая переменная, выраженная в выходном сигнале датчика
3. Задающее воздействие – значение, на котором должна находится регулируемая переменная.
4. Ошибка регулирования — разность между заданным и текущим значениями регулируемой переменной.
5. Управляющее воздействие на выходе управляющего устройства, выраженная в выходном сигнале управляющего устройства и целенаправленно изменяемая в процессе регулирования для компенсации влияния изменения других параметров процесса.
6. Управляющее воздействие , выраженная в входном параметре управляемого процесса.
7. Возмущающие воздействия – входные переменные регулируемого процесса кроме управляющего воздействия, изменения которых приводят к смещению регулируемой переменной относительно заданного значения. Именно отработка влияния возмущающих воздействий, приводящих к изменениям регулируемой переменной, является одной из основных целей создания систем управления. При изменении возмущающего воздействия система управления производит изменение управляющего воздействия, которое уравновешивает влияния изменения возмущающего воздействия, в результате чего регулируемая выходная переменная остается на заданном уровне.
8. Промежуточные переменные, получаемые при преобразовании, усилении сигналов и т.д.

Часто при анализе системы управления управляющее воздействие и регулируемую переменную на самом объекте управления выделить сложно (невозможно), поэтому при анализе исполнительный механизм, объект управления и датчик рассматривают как единый элемент – объект управления. Структурная схема системы управления при этом будет иметь вид, приведенный на рис.

Energy
education

Система управления — строго определённый набор средств сбора сведений о подконтрольном объекте и средств воздействия на его поведение, предназначенный для достижения определённых целей. Объектом системы управления могут быть как технические объекты, так и люди.

1. Структурная схема системы управления

В задачах управления всегда есть два объекта – управляемый и управляющий. Управляемый объект обычно называют объектом управления или просто объектом, а управляющий объект – регулятором. Например, при управлении частотой вращения объект управления – это двигатель (электромотор, турбина); в задаче стабилизации курса корабля – корабль, погруженный в воду; в задаче поддержания уровня громкости – динамик.

Регуляторы могут быть построены на разных принципах. Самый знаменитый из первых механических регуляторов – центробежный регулятор Уатта для стабилизации частоты вращения паровой турбины (на рисунке). Когда частота вращения увеличивается, шарики расходятся из-за увеличения центробежной силы. При этом через систему рычагов немного закрывается заслонка, уменьшая поток пара на турбину.

Регулятор температуры в холодильнике или термостате – это электронная схема, которая включает режим охлаждения (или нагрева), если температура становится выше (или ниже) заданной.

Во многих современных системах регуляторы – это микропроцессорные устройства, компьютеры. Они успешно управляют самолетами и космическими кораблями без участия человека. Современный автомобиль буквально «напичкан» управляющей электроникой, вплоть до бортовых компьютеров.

Обычно регулятор действует на объект управления не прямо, а через исполнительные механизмы (приводы), которые могут усиливать и преобразовывать сигнал управления, например, электрический сигнал может «превращаться» в перемещение клапана, регулирующего расход топлива, или в поворот руля на некоторый угол.

Чтобы регулятор мог «видеть», что фактически происходит с объектом, нужны датчики.

С помощью датчиков чаще всего измеряются те характеристики объекта, которыми нужно управлять. Кроме того, качество управления можно улучшить, если получать дополнительную информацию – измерять внутренние свойства объекта.

Итак, в типичную систему управления входят объект, регулятор, привод и датчики. Однако, набор этих элементов – еще не система. Для превращения в систему нужны каналы связи, через них идет обмен информацией между элементами. Для передачи информации могут использоваться электрический ток, воздух (пневматические системы), жидкость (гидравлические системы), компьютерные сети.

Взаимосвязанные элементы – это уже система, которая обладает особыми свойствами, которых нет у отдельных элементов и любой их комбинации.

Основная интрига управления связана с тем, что на объект действует окружающая среда – внешние возмущения, которые «мешают» регулятору выполнять поставленную задачу. Большинство возмущений заранее непредсказуемы, то есть носят случайный характер.

Кроме того, датчики измеряют параметры не точно, а с некоторой ошибкой, пусть и малой. В этом случае говорят о «шумах измерений» по аналогии с шумами в радиотехнике, которые искажают сигналы. Подводя итого, можно нарисовать структурную схему системы управления так:

Например, в системе управления курсом корабля

• объект управления – это сам корабль, находящийся в воде; для управления его курсом используется руль, изменяющий направление потока воды;
• регулятор – цифровая вычислительная машина;
• привод – рулевое устройство, которое усиливает управляющий электрический сигнал и преобразует его в поворот руля;
• датчики – измерительная система, определяющая фактический курс;
• внешние возмущения – это морское волнение и ветер, отклоняющие корабль от заданного курса;
• шумы измерений – это ошибки датчиков.

Информация в системе управления как бы «ходит по кругу»: регулятор выдает сигнал управления на привод, который воздействует непосредственно на объект; затем информация об объекте через датчики возвращается обратно к регулятору и все начинается заново. Говорят, что в системе есть обратная связь, то есть регулятор использует информацию о состоянии объекта для выработки управления. Системы с обратной связью называют замкнутыми, поскольку информация передается по замкнутому контуру.

Регулятор сравнивает задающий сигнал («задание», «уставку», «желаемое значение») с сигналами обратной связи от датчиков и определяет рассогласование (ошибку управления) – разницу между заданным и фактическим состоянием. Если оно равно нулю, никакого управления не требуется. Если разница есть, регулятор выдает управляющий сигнал, который стремится свести рассогласование к нулю. Поэтому схему регулятора во многих случаях можно нарисовать так:

Такая схема показывает управление по ошибке (или по отклонению). Это значит, что для того, чтобы регулятор начал действовать, нужно, чтобы управляемая величина отклонилась от заданного значения. Блок, обозначенный знаком ≠ , находит рассогласование. В простейшем случае в нем из заданного значения вычитается сигнал обратной связи (измеренное значение).

Можно ли управлять объектом так, чтобы не было ошибки? В реальных системах – нет.

Прежде всего, из-за внешних воздействий и шумов, которые заранее неизвестны. Кроме того, объекты управления обладают инерционностью, то есть, не могут мгновенно перейти из одного состояния в другое. Возможности регулятора и приводов (то есть мощность сигнала управления) всегда ограничены, поэтому быстродействие системы управления (скорость перехода на новый режим) также ограничена. Например, при управлении кораблем угол перекладки руля обычно не превышает 30 −35°, это ограничивает скорость изменения курса.

Мы рассмотрели вариант, когда обратная связь используется для того, чтобы уменьшить разницу между заданным и фактическим состоянием объекта управления. Такая обратная связь называется отрицательной, потому что сигнал обратной связи вычитается из задающего сигнала. Может ли быть наоборот? Оказывается, да. В этом случае обратная связь называется положительной, она увеличивает рассогласование, то есть, стремится «раскачать» систему. На практике положительная обратная связь применяется, например, в генераторах для поддержания незатухающих электрических колебаний.

Можно ли управлять, не используя обратную связь? В принципе, можно. В этом случае регулятор не получает никакой информации о реальном состоянии объекта, поэтому должно быть точно известно, как этот объект себя ведет. Только тогда можно заранее рассчитать, как им нужно управлять (построить нужную программу управления). Однако при этом нельзя гарантировать, что задание будет выполнено. Такие системы называют системами программного управления или разомкнутыми системами, поскольку информация передается не по замкнутому контуру, а только в одном направлении.

Слепой и глухой водитель тоже может вести машину. Некоторое время. Пока он помнит дорогу и сможет правильно рассчитать свое место. Пока на пути не встретятся пешеходы или другие машины, о которых он заранее не может знать. Из этого простого примера ясно, что без обратной связи (информации с датчиков) невозможно учесть влияние неизвестных факторов, неполноту наших знаний.

Несмотря на эти недостатки, разомкнутые системы часто применяются на практике, например в стиральных машинах. Однако с точки зрения теории управления разомкнутые системы малоинтересны.

Автоматическая система – это система, работающая без участия человека. Есть еще автоматизированные системы, в которых рутинные процессы (сбор и анализ информации) выполняет компьютер, но управляет всей системой человек-оператор, который и принимает решения. Мы будем далее изучать только автоматические системы.

Задачи систем управления. Автоматические системы управления применяются для решения трех типов задач:

• стабилизация, то есть поддержание заданного режима работы, который не меняется длительное время (задающий сигнал – постоянная, часто нуль);
• программное управление – управление по заранее известной программе (задающий сигнал меняется, но заранее известен);
• слежение за неизвестным задающим сигналом.

К системам стабилизации относятся, например, авторулевые на кораблях (поддержание заданного курса), системы регулирования частоты вращения турбин. Системы программного управления широко используются в бытовой технике. Следящие системы служат для усиления и преобразования сигналов, они применяются в приводах и при передаче команд через линии связи, например, через Интернет.

Одномерные и многомерные системы. По количеству входов и выходов бывают

• одномерные системы, у которых один вход и один выход (они рассматриваются в так называемой классической теории управления);
• многомерные системы, имеющие несколько входов и/или выходов (главный предмет изучения современной теории управления).

Мы будем изучать только одномерные системы, где и объект, и регулятор имеют один входной и один выходной сигнал. Например, при управлении кораблем по курсу можно считать, что есть одно управляющее воздействие (поворот руля) и одна регулируемая величина (курс).

Однако, в самом деле это не совсем верно. Дело в том, что при изменении курса меняется также крен и дифферент корабля. В одномерной модели мы пренебрегаем этими изменениями, хотя они могут быть очень существенными. Например, при резком повороте крен может достигнуть недопустимого значения. С другой стороны, для управления можно использовать не только руль, но и различные подруливающие устройства, стабилизаторы качки и т.п., то есть объект имеет несколько входов. Таким образом, реальная система управления курсом – многомерная.

Исследование многомерных систем – достаточно сложная задача. Поэтому в инженерных расчетах стараются иногда упрощенно представить многомерную систему как несколько одномерных, и довольно часто такой метод приводит к успеху.

Непрерывные и дискретные системы. По характеру сигналов системы могут быть

• непрерывными, в которых все сигналы – функции непрерывного времени, определенные на некотором интервале;
• дискретными, в которых используются дискретные сигналы (последовательности чисел), определенные только в отдельные моменты времени.

Непрерывные (или аналоговые) системы обычно описываются дифференциальными уравнениями. Это все системы управления движением, в которых нет компьютеров и других элементов дискретного действия (микропроцессоров, логических интегральных схем).

Микропроцессоры и компьютеры – это дискретные системы, поскольку в них вся информация хранится и обрабатывается в дискретной форме. Компьютер не может обрабатывать непрерывные сигналы, поскольку работает только с последовательностями чисел. Для их описания применяют разностные уравнения.

Существуют также и гибридные непрерывно-дискретные системы, например, компьютерные системы управления движущимися объектами (кораблями, самолетами, автомобилями и др.). В них часть элементов описывается дифференциальными уравнениями, а часть – разностными. С точки зрения математики это создает большие сложности для их исследования, поэтому во многих случаях непрерывно-дискретные системы сводят к упрощенным чисто непрерывным или чисто дискретным моделям.

Стационарные и нестационарные системы. Для управления очень важен вопрос о том, изменяются ли характеристики объекта со временем. Системы, в которых все параметры остаются постоянными, называются стационарными, что значит «не изменяющиеся во времени».

В практических задачах часто дело обстоит не так радужно. Например, летящая ракета расходует топливо и за счет этого ее масса изменяется. Таким образом, ракета – нестационарный объект. Системы, в которых параметры объекта или регулятора изменяются со временем, называются нестационарными. Хотя теория нестационарных систем существует (формулы написаны), применить ее на практике не так просто.

Определенность и случайность. Самый простой вариант – считать, что все параметры объекта определены (заданы) точно, так же, как и внешние воздействия. В этом случае мы говорим о детерминированных системах, которые рассматривались в классической теории управления.

Тем не менее, в реальных задачах точных данных у нас нет. Прежде всего, это относится к внешним воздействиям. Например, для исследования качки корабля на первом этапе можно считать, что волна имеет форму синуса известной амплитуды и частоты. Это детерминированная модель. Так ли это на практике? Естественно нет. С помощью такого подхода можно получить только приближенные, грубые результаты.

По современным представлениям форма волны приближенно описывается как сумма синусоид, которые имеют случайные, то есть неизвестные заранее, частоты, амплитуды и фазы.

Помехи, шум измерений – это тоже случайные сигналы.

Системы, в которых действуют случайные возмущения или параметры объекта могут изменяться случайным образом, называются стохастическими (вероятностными). Теория стохастических систем позволяет получать только вероятностные результаты. Например, нельзя гарантировать, что отклонение корабля от курса всегда будет составлять не более 2°, но можно попытаться обеспечить такое отклонение с некоторой вероятностью (вероятность 99% означает, что требование будет выполнено в 99 случаях из 100).

Оптимальные системы. Часто требования к системе можно сформулировать в виде задачи оптимизации. В оптимальных системах регулятор строится так, чтобы обеспечить минимум или максимум какого-то критерия качества. Нужно помнить, что выражение «оптимальная система» не означает, что она действительно идеальная. Все определяется принятым критерием – если он выбран удачно, система получится хорошая, если нет – то наоборот.

Особые классы систем. Если параметры объекта или возмущений известны неточно или могут изменяться со временем (в нестационарных системах), применяют адаптивные или самонастраивающиеся регуляторы, в которых закон управления меняется при изменении условий. В простейшем случае (когда есть несколько заранее известных режимов работы) происходит простое переключение между несколькими законами управления. Часто в адаптивных системах регулятор оценивает параметры объекта в реальном времени и соответственно изменяет закон управления по заданному правилу.

Самонастраивающаяся система, которая пытается настроить регулятор так, чтобы «найти» максимум или минимум какого-то критерия качества, называется экстремальной.

Администратор сайта: Колосов Михаил
email:
Copyright © 2011-2024. All rights reserved.

Что характеризует функциональная схема системы автоматического управления

Существует чрезвычайно большое разнообразие систем, выполняющих те или иные функции по управлению самыми различными процессами во всех областях деятельности человека. Однако принципы построения систем управления, принципы управления как и законы носят всеобщий характер. На сегодня различают четыре принципа управления:

Принцип разомкнутого цикла з аключается в том, что требуемый закон управления формируется только на основе цели управления в соответствии с задающим воздействием. Управление, реализующее данный принцип, называется управлением по задающему воздействию. Система, построенная по этому принципу, является разомкнутой или незамкнутой.

Функциональная схема разомкнутой системы изображена на рис.1.1.

Рис. 1.1. Функциональная схема разомкнутой системы

ОУ – объект управления;

ЗУ – задающее устройство;

Координаты (переменные) системы:

g ( t ) – задающее воздействие;

y ( t ) – управляемая (регулируемая) величина;

f ( t ) – возмущающее воздействие;

u ( t ) – управляющее воздействие.

Объект управления — это техническое устройство или технологический процесс, некоторые физические величины которого поддерживаются неизменными или подлежат целенаправленным изменениям. Задающее устройство предназначено для формирования цели управления путем выработки задающего воздействия. Регулятор служит для формирования закона управления, в соответствии с которым выдает управляющее воздействие, прикладываемое к объекту управления для перевода последнего в требуемое состояние.

Входными величинами системы являются соответственно задающее и возмущающее воздействия. Задающее воздействие — это воздействие, определяемое целью управления, в соответствии с которым должна изменяться управляемая величина. Возмущающее воздействие представляет собой воздействие внешней среды на объект управления и, как правило, оказывает на него негативное влияние. Оно бывает объективно существующим и случайным. Выходной координатой системы является управляемая или регулируемая величина . Эта величина характеризует состояние объекта управления и подлежит стабилизации или изменению заданным образом в соответствии с целью управления. Для того чтобы управляемая величина принимала требуемые значения, необходимо к объекту управления приложить воздействие u ( t ) – управляющее воздействие. Управляющее воздействие формируется регулятором и прикладывается к объекту управления для того, чтобы последний перешел в нужное состояние. Следовательно, задача управления и состоит в формировании управляющего воздействия.

В разомкнутой системе, как следует из принципа разомкнутого цикла и функциональной схемы (рис.1.1), регулятор формирует управляющее воздействие только на основе задающего воздействия, т.е.

u ( t ) = F [ g ( t )]. (1.1)

Выражение (1.1) представляет собой закон управления разомкнутой системы.

Закон управления — это алгоритм или функциональная зависимость, в соответствии с которой регулятор формирует управляющее воздействие.

Характерным для разомкнутой системы является то, что процесс работы системы не зависит непосредственно от результата ее воздействия на управляемый объект. Отсюда главный недостаток разомкнутой системы — низкая точность работы.

По разомкнутому принципу работают многие известные всем автоматы, например, часы, банкомат, автомат, выбрасывающий какие-либо определенные предметы (билеты, шоколад) при опускании в него определенной комбинации монет и т.д. Примером такой системы может служить системы управления стрельбой из ружья или артиллерийского орудия.

Принцип замкнутого цикла (принцип обратной связи) з аключается в том, что закон управления формируется на основе отклонения управляемой величины от задающего воздействия. Такое управление называется управлением по отклонению, при котором управляемая величина оказывает влияние на управляющее воздействие. Система, реализующая этот принцип, называется замкнутой или системой управления с обратной связью.

Функциональная схема замкнутой системы изображена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Функциональная схема замкнутой системы

ОУ – объект управления;

ЗУ – задающее устройство;

ИПУ — измерительно-преобразовательное устройство;

СУ — сравнивающее устройство;

Координаты (переменные) системы:

g ( t ) – задающее воздействие;

y ( t ) – управляемая (регулируемая) величина;

f ( t ) – возмущающее воздействие;

x ( t ) — рассогласование (ошибка);

u ( t ) – управляющее воздействие.

x ( t ) = g ( t ) — y ( t ). (1.2)

Рассогласование представляет собой отклонение управляемой величины от задающего воздействия, т.е. является ошибкой системы, и служит источником формирования регулятором управляющего воздействия. Следовательно, закон управления в замкнутой системе является функцией рассогласования

u ( t ) = F [ x ( t )]. (1.3)

Управляющее воздействие прикладывается к объекту управления до тех пор пока x ( t ) ® 0.

Таким образом, замкнутая система работает так, чтобы все время сводить к нулю рассогласование x ( t ).

Принцип замкнутого цикла (обратной связи) – основной принцип управления. Он лежит в основе подавляющего большинства систем управления, так как решающую роль при управлении играет информация о результатах управления.

Основным достоинством замкнутых сис т ем является их высокая точность, однако быстродействие их ниже, чем у разомкнутых систем.

Примерами замкнутых систем могут служить: система стабилизации температуры в холодильнике, автопилот, система самонаведения снаряда на цель, система обучения в высшей школе и т.д.

Комбинированный принцип з аключается в сочетании принципов разомкнутого и замкнутого циклов в одной системе. Такое управление, сочетающее в себе управление по задающему воздействию и отклонению, называется комбинированным управлением. Оно обеспечивает высокую точность и высокое быстродействие. Система, реализующая комбинированный принцип, называется комбинированной.

Функциональная схема комбинированной системы представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Функциональная схема комбинированной системы

Для реализации комбинированной системы в замкнутую систему требуется включить дополнительные функциональные элементы: КЦЗ и КЦВ.

КЦЗ – компенсирующая цепь по задающему воздействию, позволяет скомпенсировать ошибку работы системы от задающего воздействия.

КЦВ – компенсирующая цепь по возмущающему воздействию, позволяет скомпенсировать негативное влияние возмущающего воздействия на работу системы.

Компенсирующие цепи представляют собой дифференцирующие устройства и служат для прогнозирования входных воздействий системы, что позволяет системе работать с предвидением. Благодаря этому, комбинированные системы обладают повышенной точностью и быстродействием.

Из функциональной схемы следует, что закон управления комбинированной системы имеет вид:

u ( t ) = F [ x ( t ), g ( t ), f ( t )]. (1.4)

В общем случае управляющее воздействие в комбинированной системе является функцией рассогласования, задающего и возмущающего воздействий. Кроме того, можно сделать комбинированную систему только по задающему воздействию, если

u ( t ) = F [ x ( t ), g ( t )], (1.5)

и только по возмущающему воздействию, если

u ( t ) = F [ x ( t ), f ( t )]. (1.6)

Комбинированное управление позволяет реализовывать инвариантные к внешним воздействиям системы управления.

Принцип адаптации заключается в том, что системы, реализующие этот принцип, в процессе работы приспосабливаются, адаптируются к изменяющимся внешним условиям. Такое управление называется адаптивным, а системы, работающие в соответствии с данным принципом, называется адаптивными и являются самыми совершенными. Адаптивные системы имеют в своем составе, как правило, дополнительные блоки и контуры для анализа показателей качества процесса управления или внешних условий, по которым необходима адаптация.

Адаптивные системы разделяются на экстремальные, самонастраивающиеся и самоорганизующиеся.

Экстремальные системы или системы с самонастройкой программы. Это системы, которые сами ищут наивыгоднейшую программу, т.е. то значение управляемой величины, которое нужно в данный момент выдерживать, чтобы режим работы объекта управления был наилучшим по какому-либо параметру. При этом имеется в виду не выбор закона управления, а автоматическая установка задающего воздействия, такого, при котором обеспечивается наивыгоднейшее значение управляемой величины при изменяющихся внешних условиях работы системы. Таким образом, на экстремальную систему накладывается дополнительная задача автоматического поиска наивыгоднейшего значения требуемой управляемой величины, т.е. самой программы управления.

На рис. 1.4 приведена функциональная схема экстремальной системы.

Для получения экстремальной системы в замкнутую систему дополнительно включают УАПЭ — устройство автоматического поиска экстремума, которое анализирует параметр объекта управления r , определяющий его режим работы, и воздействует на задающее устройство с целью изменения задающего воздействия g ( t ) для обеспечения наивыгоднейшего режима работы объекта управления. Анализ параметра r и изменение задающего воздействия g ( t ) осуществляется до тех пор, пока r (параметр объекта управления, который оптимизируется) не примет экстремальное значение.

Рис. 1.4. Функциональная схема экстремальной системы

Примерами экстремальных систем могут служить: система автоматического поддержания максимальной скорости проходки скважины турбобуром при меняющихся свойствах грунта; автоматические системы управления различными производственными процессами, поддерживающие наивыгоднейший режим работы станков; система поддержания наивыгоднейшей скорости движения автомобиля, соответствующей минимуму расхода горючего на единицу длины пути и т.д.

Самонастраивающиеся системы с самонастройкой параметров. Это такие системы, в которых автоматически, не заданным заранее образом, в процессе работы в соответствии с изменением внешних условий изменяются какие-нибудь параметры регулятора таким образом, чтобы заданное качество работы системы сохранялось или обеспечивалось максимальное качество, возможное в данных реальных условиях. Эти системы работают по принципу самообучения. В процессе работы они изучают объект управления и обучаются управлять им наилучшим образом.

Простейшими самонастраивающимися системами являются системы с самонастройкой параметров регулятора по задающему и возмущающему воздействиям (рис.1.5). Эти системы содержат в своем составе анализатор А для анализа задающего и возмущающего воздействий и контур настройки регулятора КН для настройки параметров регулятора в соответствии с заданным критерием.

Примерами самонастраивающихся систем могут служить радиотехнические системы с контурами автоматических регулировок усиления (АРУ) и подстроек частоты (АПЧ).

Рис. 1.5. Функциональная схема самонастраивающейся системы

Самоорганизующиеся системы или системы с самонастройкой структуры. Это системы, которые наилучших режимов работы достигают не изменением параметров регулятора, а путем изменения самой структуры регулятора не заданным заранее образом. В самоорганизующуюся систему закладывается лишь тот или иной определенный критерий качества работы системы или комбинация критериев для различных внешних условий работы системы. Система сама путем автоматического поиска выбирает такую структуру (из возможных , имеющихся в ее распоряжении), при которой удовлетворяется заданный критерий качества работы всей системы.

Примером систем с самонастройкой структуры являются двухотсчетные системы, получившие широкое распространение. Эти системы имеют в своем составе два измерительных канала: грубого и точного отсчетов. Нужный измерительный канал выбирается системой в зависимости от величины рассогласования.

Кроме чисто технических автоматических систем аналогичные принципы действия заложены и в биологических системах, экономических системах и т.п., что изучается соответствующими направлениями кибернетики и общей теории систем управления.