Вопросы и задания
1. Обоснуйте экстремальный вид графика зависимости тока статора АД от напряжения его питания.
2. Поясните работу блока адаптации при управлении напряжением питания АД при постоянной его механической нагрузке.
3. Поясните работу блока адаптации при управлении напряжением питания АД при изменении его механической нагрузки.
4. Как можно ускорить работу и повысить точность в рассмотренной экстремальной САУ?
6.5. Структура и принцип действия
беспоисковых адаптивных САУ
Беспоисковые адаптивные САУ имеют обобщенную структурную схему одного из двух видов:
- с эталонной моделью объекта управления или всей классической (не адаптивной) САУ;
- с восстановленной наблюдающим устройством моделью объекта управления.
На рис.6.13 приведена обобщенная структурная схема адаптивной САУ с эталонной моделью исходной замкнутой САУ, которая состоит из объекта управления ОУ и линейного регулятора. Регулятор может быть любого типа, но на рис.6.13, для определенности изложения, приведен ПИД-регулятор. Также вместо эталонной модели замкнутой САУ может быть использована эталонная модель объекта управления, для чего на вход эталонного звена с передаточной функцией WЭ (р) нужно подать тот же сигнал, который поступает на вход объекта управления с передаточной функцией WОУ (р).
В приведенной адаптивной САУ сравниваются действительный у сигнал, выходящий с исходной замкнутой САУ, и эталонный уЭ, формируемый эталонным звеном. Сигнал ошибки Δу=уЭ-у поступает на блок адаптивного управления БАУ. При несовпадении сигналов у и уЭ (Δу≠0) БАУ вырабатывает корректирующие сигналы, которые заводятся в исходную САУ так, чтобы было минимизировано расхождение сигналов у и уЭ (в идеале должно быть достигнуто Δу=0). Коррекция может быть сигнальной или параметрической.
При сигнальной коррекции БАУ вырабатывает сигнал Δи, который поступает в виде дополнительного сигнала либо на вход регулятора (замкнут ключ S1), либо на вход объекта управления (замкнут ключ S3). Этот вид коррекции достаточно хорошо проработан теоретически. В качестве эталонного звена может быть принято звено, передаточная функция WЭ(р) которого:
1) По структуре совпадает с передаточной функцией объекта управления WОУ (р). В этом случае БАУ может быть простейшего вида (см. рис.6.14 и 6.15).
2). По структуре может быть любого желаемого вида, например пониженного в сравнении с WОУ (р) порядка и простейшего вида – пропорциональное звено, апериодическое звено 1-го порядка и т.п. В таком случае БАУ реализует скользящий режим работы адаптивной САУ. Работа БАУ имеет сложный характер, однако эта сложность непринципиальна, так как вопрос организации скользящего режима полностью решен теоретически.
При параметрической коррекции БАУ вырабатывает сигналы ΔkП, ΔТИ и ΔТД, которыми корректируются параметры kП, ТИ и ТД настройки регулятора (замкнут ключ S2). Этот вид коррекции не имеет исчерпывающего теоретического обоснования в рамках классических способов управления, т.е. не существует процедур и алгоритма, позволяющих обоснованно производить перестройку значений kП, ТИ и ТД. Однако эта же задача имеет процедуры в классе интеллектуальных технологий управления, таких как нечеткие регуляторы (фаззи-регуляторы). Эти виды управления основаны на использовании опыта человека по управлению сложными системами, когда используются неформализованные (не подтвержденные точным расчетом и алгоритмом) методы принятия решений. В частности, при использовании ПИД-регулятора, можно использовать следующие закономерности:
- если переходный процесс имеет выраженный колебательный характер или на его графике имеется недопустимо большое перерегулирование, то необходимо усиливать воздействие по производной путем увеличения постоянной времени ТД Д–части ПИД-регулятора, ослаблять действие интегральной части путем увеличения постоянной времени ТИ И-части и ослаблять действие пропорциональной части путем уменьшения коэффициента передачи kП П-части;
- если ошибки регулирования (статическая, скоростная и т.д.) слишком велики, то необходимо усиливать действие пропорциональной части путем увеличения коэффициента передачи kП П-части и ослаблять в динамике действие интегральной части путем увеличения постоянной времени ТИ И-части;
- для повышения быстродействия САУ необходимо усиливать действие пропорциональной части путем увеличения коэффициента передачи kП П-части и усиливать в динамике действие интегральной части путем уменьшения постоянной времени ТИ И-части.
На рис.6.14 приведен пример сигнальной коррекции, где БАУ выполнен в виде пропорционального звена с большим коэффициентом передачи k.
Эквивалентная передаточная функция структурной схемы на рис.6.14,б при k →∞ имеет вид
(6.6)
При k →∞ имеем:
, так как 
и 
, так как
С учетом этих приближенных равенств преобразуем (6.6)
Значит, независимо от изменений параметров ОУ адаптивная САУ (рис.6.14,а) будет себя вести как звено с передаточной функцией WЭ (р).
Недостатком рассмотренной адаптивной САУ является то, что из-за очень большого коэффициента передачи k блока адаптивного управления в схеме появляется недопустимо большой сигнал Δи. На самом деле, сигнал Δи будет ограничен уровнями напряжения питания электронного блока адаптации. Поэтому вместо структурной схемы на рис.6.14,а корректно рассматривать структурную схему, приведенную на рис.6.15,а. Здесь БАУ реализовано на базе идеального двухпозиционного реле (компаратора), у которого при нулевом входном сигнале Δу коэффициент передачи равен бесконечности (k →∞), а при Δу≠0 выходной сигнал БАУ ограничен значениями ±Um. В этой САУ возникает скользящий режим, который характеризуется следующим:
- при Δу>0, когда выходной сигнал у объекта управления меньше эталонного уЭ, ко входу ОУ прикладывается большой положительный сигнал, равный Um, в результате чего сигнал у начинает интенсивно возрастать;
- в момент перехода значения Δу через ноль, после которого становится Δу<0, когда выходной сигнал у объекта управления больше эталонного уЭ, ко входу ОУ прикладывается большой отрицательный сигнал, равный -Um, в результате чего сигнал у начинает интенсивно уменьшаться.
Эти переключения сигнала Δи происходят с большой частотой так, что сигнал у в переходных процессах, вызванных переключениями БАУ, колеблется с малой амплитудой около сигнала уЭ, отслеживая любые изменения во времени последнего. Такие изменения у являются скольжением у вдоль линии уЭ (рис.6.15,б).
На рис.6.16 приведена обобщенная структурная схема адаптивной САУ, основанная на использовании восстановленной наблюдающим устройством модели объекта управления.
Объект управления имеет реальную передаточную функцию WОУР (р), параметры которой могут быть отличными от номинальных. Наблюдающее устройство параметров восстанавливает реальную передаточную функцию объекта управления WОУВ (р). В этой модели все параметры передаточной функции реальные, которые сложились у объекта управления на текущий момент времени. Блок расчета параметров БРП вычисляет по формулам, параметры kП, ТИ и ТД настройки регулятора и производит перестройку ПИД-регулятора. В этой схеме БАУ образуют наблюдающее устройство НУ, восстановленная модель объекта управления с передаточной функцией WОУВ (р) и блок расчета параметров БРП.
Вопросы и задания
1. Поясните работу беспоисковой адаптивной САУ с эталонной моделью исходной замкнутой САУ.
2. Поясните работу беспоисковой адаптивной САУ с пропорциональной сигнальной коррекцией.
3. Поясните работу беспоисковой адаптивной САУ с нелинейной (двухпозиционной) сигнальной коррекцией.
4. Поясните работу беспоисковой адаптивной САУ с наблюдающим устройством и параметрической коррекцией.
ЛИТЕРАТУРА
1. Березин С.Я., Тетюев Б.Я. Системы автоматического управления движением судна по курсу. - Л.: Судостроение, 1990. - 264 с.
2. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование - М.: Машиностроение, 1978, 1980 г. – 736 с.
3. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т.1. Линейные системы. – М.: Физматлит, 2003. – 288 с.
4. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т.2. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы. – М.: Физматлит, 2004. – 464 с.
5. Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы - М.: Машиностроение, 1977. – 464 с.
6. Микропроцессорные автоматические системы регулирования / Под ред. В.В. Солодовникова. – М.: Высш. школа, 1991. –255 с.
7. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Линейные системы. СПб.: Питер, 2005. – 336 с.
8. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Нелинейные и оптимальные системы. СПб.: Питер, 2006. – 272 с.
9. Петров Ю.П. Оптимальное управление движением транспортных средств. – Л.: Энергия, 1969. – 96 с.
10. Петров Ю.П. Оптимальное управление электроприводом. – М-Л.: Госэнергоиздат, 1961. – 187 с.
11. Прохоренков А.М., Татьянченко Ю.Г., Солодов В.С. Судовая автоматика - М.: Колос, 1992. - 448 с.
12. Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления / Под ред. В.А. Бессекерского. – М.: Высшая школа, 1982. – 587 с.
13. Суевалов Л.Ф. Справочник по расчетам судовых автоматических систем. - Л.: Судостроение, 1989. - 408 с.
ТАУ-1
1. Классификация САУ. Принципы автоматического управления
ЛИНЕЙНЫЕ САУ
2. Линеаризация элементов САУ. Преобразование Лапласа, передаточные функции. Типовые воздействия и реакция на них
3. Методы расчета переходных процессов, функции веса и построения графиков переходных процессов
4. Частотные характеристики линейных САУ
5. Логарифмические амплитудно-частотые характеристики – ЛАЧХ
6. Типовые позиционные звенья САУ
7. Типовые дифференцирующие звенья САУ
8. Типовые интегрирующие звенья САУ
9. Структурные схемы САУ и их преобразования
10. Понятие об устойчивости САУ. Прямые методы устойчивости. Критерий устойчивости Гурвица. Определение допустимых настроек САУ
11. Критерий устойчивости Михайлова. Определение допустимых настроек САУ
12. Критерий устойчивости Найквиста. Использование ЛАЧХ для оценки устойчивости САУ
13. Прямые показатели качества САУ. Расчет ошибок регулирования. Статические и астатические САУ
14. Косвенные показатели качества САУ и их связь с прямыми показателями качества. Использование ЛАЧХ для оценки качества САУ
15. Типовые законы регулирования. Влияние П-регулятора на показатели качества САУ
16. Типовые законы регулирования. Влияние И-регулятора на показатели качества САУ
17. Типовые законы регулирования. Влияние Д-регулятора на показатели качества САУ
18. Принципиальные электрические схемы типовых регуляторов
19. Схемы корректирующих устройств на пассивных элементах
20. Схемы корректирующих устройств на активных элементах
21. Коррекция линейных САУ с помощью местных обратных связей
22. Пример судовой линейной САУ
23. Сущность процесса синтеза САУ. Частотный метод синтеза линейных САУ
САУ СО СЛУЧАЙНЫМИ СИГНАЛАМИ
24. Типы случайных процессов и их характеристики
25. Прохождение стационарного случайного сигнала через линейное звено
26. Расчет ошибок регулирования в линейной САУ при воздействии на нее полезного сигнала с помехой
27. Пример судовой САУ, отрабатывающей полезный сигнал с помехой
ТАУ-2
НЕЛИНЕЙНЫЕ САУ
1. Определение нелинейных САУ. Анализ нелинейных САУ методом припасовывания
2. Определение и свойства фазовых траекторий. Фазовые траектории линейных САУ 2-го порядка
3. Расчет фазовым методом нелинейной САУ 2-го порядка с идеальным трехпозиционным реле
4. Расчет фазовым методом нелинейной САУ 2-го порядка с гистерезисным двухпозиционным реле
5. Расчет фазовым методом нелинейной САУ 1-го порядка с гистерезисным двухпозиционным реле
6. Нелинейная САУ с переменной структурой
7. Нелинейная САУ со скользящим режимом
8. Метод гармонической линеаризации. Коэффициенты гармонической линеаризации
9. Исследование нелинейных САУ методом гармонической линеаризации
10. Устойчивость нелинейных САУ
ИМПУЛЬСНЫЕ САУ
11. Импульсные и цифровые САУ. Виды модуляции непрерывных сигналов
12. Схемы импульсных модуляторов
13. Способы описания импульсных сигналов. Особенности соответствия оригиналов и изображений
14. Дискретные передаточные функции звеньев
15. Дискретные передаточные функции разомкнутых и замкнутых импульсных САУ
16. Методы расчета переходных процессов в импульсных САУ
17. Устойчивость импульсных САУ
18. Синтез корректирующих устройств и регуляторов импульсных САУ
19. Реализация микропроцессорных корректирующих устройств по заданным дискретным передаточным функциям
20. Определение дискретных передаточных функций микропроцессорных устройств, реализующих работу непрерывных устройств
ОПТИМАЛЬНЫЕ САУ
21. Постановка задач оптимального управления. Вариационные методы теории оптимальных САУ
22. Оптимальное управление ДПТ с независимым возбуждением при постоянном моменте сопротивления
23. Оптимальное управление ДПТ с независимым возбуждением при ограничениях на частоту вращения и ток якоря
24. Оптимальное управление ДПТ с независимым возбуждением при моменте сопротивления, зависящем от частоты вращения и времени
25. Оптимальное управление ДПТ с независимым возбуждением при моменте сопротивления, зависящем от угла поворота вала
26. Оптимальное управление асинхронным двигателем в установившемся режиме
27. Оптимальное по минимуму расхода топлива управление движением судна
28. Методы оптимального управления, основанные на принципе максимума Понтрягина
29. Оптимальное управление объектом 2-го порядка при ограничении на величину сигнала управления
30. Оптимальное управление синхронными генераторами электростанции по критерию устойчивости
АДАПТИВНЫЕ САУ
31. Назначение и классификация адаптивных САУ. Структура и принцип действия самонастраивающихся систем
32. Методы определения градиента целевой функции
33. Организация рабочих операций в экстремальной САУ
34. Пример экстремальной САУ асинхронного электропривода по минимуму потребляемого тока
35. Структура и принцип действия беспоисковых адаптивных САУ
ТАУ-1
1. Классификация САУ. Принципы автоматического управления
ЛИНЕЙНЫЕ САУ
2. Линеаризация элементов САУ. Преобразование Лапласа, передаточные функции. Типовые воздействия и реакция на них
3. Методы расчета переходных процессов, функции веса и построения графиков переходных процессов
4. Частотные характеристики линейных САУ
5. Логарифмические амплитудно-частотые характеристики – ЛАЧХ
6. Типовые позиционные звенья САУ
7. Типовые дифференцирующие звенья САУ
8. Типовые интегрирующие звенья САУ
9. Структурные схемы САУ и их преобразования
10. Понятие об устойчивости САУ. Прямые методы устойчивости. Критерий устойчивости Гурвица. Определение допустимых настроек САУ
11. Критерий устойчивости Михайлова. Определение допустимых настроек САУ
12. Критерий устойчивости Найквиста. Использование ЛАЧХ для оценки устойчивости САУ
13. Прямые показатели качества САУ. Расчет ошибок регулирования. Статические и астатические САУ
14. Косвенные показатели качества САУ и их связь с прямыми показателями качества. Использование ЛАЧХ для оценки качества САУ
15. Типовые законы регулирования. Влияние П-регулятора на показатели качества САУ
16. Типовые законы регулирования. Влияние И-регулятора на показатели качества САУ
17. Типовые законы регулирования. Влияние Д-регулятора на показатели качества САУ
18. Принципиальные электрические схемы типовых регуляторов
19. Схемы корректирующих устройств на пассивных элементах
20. Схемы корректирующих устройств на активных элементах
21. Коррекция линейных САУ с помощью местных обратных связей
22. Пример судовой линейной САУ
23. Сущность процесса синтеза САУ. Частотный метод синтеза линейных САУ
САУ СО СЛУЧАЙНЫМИ СИГНАЛАМИ
24. Типы случайных процессов и их характеристики
25. Прохождение стационарного случайного сигнала через линейное звено
26. Расчет ошибок регулирования в линейной САУ при воздействии на нее полезного сигнала с помехой
27. Пример судовой САУ, отрабатывающей полезный сигнал с помехой
ТАУ-2
НЕЛИНЕЙНЫЕ САУ
1. Определение нелинейных САУ. Анализ нелинейных САУ методом припасовывания
2. Определение и свойства фазовых траекторий. Фазовые траектории линейных САУ 2-го порядка
3. Расчет фазовым методом нелинейной САУ 2-го порядка с идеальным трехпозиционным реле
4. Расчет фазовым методом нелинейной САУ 2-го порядка с гистерезисным двухпозиционным реле
5. Расчет фазовым методом нелинейной САУ 1-го порядка с гистерезисным двухпозиционным реле
6. Нелинейная САУ с переменной структурой
7. Нелинейная САУ со скользящим режимом
8. Метод гармонической линеаризации. Коэффициенты гармонической линеаризации
9. Исследование нелинейных САУ методом гармонической линеаризации
10. Устойчивость нелинейных САУ
ИМПУЛЬСНЫЕ САУ
11. Импульсные и цифровые САУ. Виды модуляции непрерывных сигналов
12. Схемы импульсных модуляторов
13. Способы описания импульсных сигналов. Особенности соответствия оригиналов и изображений
14. Дискретные передаточные функции звеньев
15. Дискретные передаточные функции разомкнутых и замкнутых импульсных САУ
16. Методы расчета переходных процессов в импульсных САУ
17. Устойчивость импульсных САУ
18. Синтез корректирующих устройств и регуляторов импульсных САУ
19. Реализация микропроцессорных корректирующих устройств по заданным дискретным передаточным функциям
20. Определение дискретных передаточных функций микропроцессорных устройств, реализующих работу непрерывных устройств
ОПТИМАЛЬНЫЕ САУ
21. Постановка задач оптимального управления. Вариационные методы теории оптимальных САУ
22. Оптимальное управление ДПТ с независимым возбуждением при постоянном моменте сопротивления
23. Оптимальное управление ДПТ с независимым возбуждением при ограничениях на частоту вращения и ток якоря
24. Оптимальное управление ДПТ с независимым возбуждением при моменте сопротивления, зависящем от частоты вращения и времени
25. Оптимальное управление ДПТ с независимым возбуждением при моменте сопротивления, зависящем от угла поворота вала
26. Оптимальное управление асинхронным двигателем в установившемся режиме
27. Оптимальное по минимуму расхода топлива управление движением судна
28. Методы оптимального управления, основанные на принципе максимума Понтрягина
29. Оптимальное управление объектом 2-го порядка при ограничении на величину сигнала управления
30. Оптимальное управление синхронными генераторами электростанции по критерию устойчивости
АДАПТИВНЫЕ САУ
31. Назначение и классификация адаптивных САУ. Структура и принцип действия самонастраивающихся систем
32. Методы определения градиента целевой функции
33. Организация рабочих операций в экстремальной САУ
34. Пример экстремальной САУ асинхронного электропривода по минимуму потребляемого тока
35. Структура и принцип действия беспоисковых адаптивных САУ
Ó Дворак Николай Маркович
