Основні поняття про синтез систем керування

Всі математичні завдання, розв'язувані в теорії автоматичного управління, можна об'єднати у два великих класи - завдання аналізу й завдання синтезу автоматичних систем.

У завданнях аналізу повністю відома структура системи, задане всі (як правило) параметри системи, і потрібно оцінити яке-небудь її статична або динамічна властивість. До завдань аналізу відносять розрахунок точності в сталих режимах, визначення стійкості, оцінка якості системи.

Завдання синтезу можна розглядати як зворотні завданням аналізу: у них потрібно визначити структуру й параметри системи за заданими показниками якостей. Найпростішими завданнями синтезу є, наприклад, завдання визначення передатного коефіцієнта розімкнутого контуру по заданій помилці або умові мінімуму інтегральної оцінки.

Синтезом автоматичної системи називають процедуру визначення структури й параметрів системи за заданими показниками якості. Синтез є найважливішим етапом проектування й конструювання системи. У загальному випадку при проектуванні системи необхідно визначити алгоритмічну й функціональну структуру, тобто вирішити завдання повного синтезу.

Алгоритмічну структуру системи (або її частини) знаходять за допомогою математичних методів і на підставі вимог, записаних у чіткій математичній формі. Тому процедуру відшукання алгоритмічної структури часто називають теоретичним синтезом або аналітичним конструюванням системи керування.

Синтез функціональної структури або технічний синтез системи полягає у виборі конкретних елементів (з обліком їхньої фізичної природи) і узгодженні статичних і енергетичних характеристик суміжних елементів. Виконуючи синтез функціональної структури, насамперед, погоджують вхідні й вихідні сигнали суміжних елементів. Сигнали повинні мати однакову фізичну природу й однакові несучі величини. При виборі виду енергії й конструкції окремих елементів керуються практичними міркуваннями про їхню простоту, надійність, мінімальних габаритах і вартості. Крім цього враховують умови експлуатації елементів: температуру навколишнього середовища, агресивність середовища, вібрацію, вибухонебезпечність. На вибір функціональної структури часто впливають традиції й досвід проектування аналогічних систем.

Послідовність рішення завдання повного синтезу може бути різної. У деяких простих випадках завдання вдається вирішити в ідеальній (з методологічної точки зору) послідовності: спочатку визначити за допомогою математичних методів алгоритмічну структуру системи, а потім - підібрати відповідні конструктивні елементи. Однак застосування цієї послідовності при проектуванні скільки-небудь складних промислових систем управління, як правило, виявляється, з ряду причин неможливим. У першу чергу виникають труднощі в підборі конструктивних елементів: в обмеженій номенклатурі засобів управління, що виготовляються серійно, може не виявитися пристроїв з необхідними алгоритмічними властивостями. Тому завдання синтезу в більшості випадків вирішують у такий спосіб.

Спочатку, виходячи з вимог до призначення системи й з огляду на умови її роботи, по каталогах серійного встаткування вибирають функціонально необхідні елементи системи: регулювальний орган РО, виконавчий пристрій ВП, датчики Д. Ці елементи разом з об'єктом керування ОУ утворять незмінну частину системи (мал.1). Потім на підставі вимог до статичних і динамічних властивостей системи визначають її змінювану частину, у яку входять підсилювально-перетворюючий блок ППБ і різні коригувальні пристрої КП. Алгоритмічну структуру змінюваної частини знаходять із урахуванням властивостей уже обраних функціонально необхідних елементів, а технічна реалізація цієї частини здійснюється з використанням стандартних уніфікованих регуляторів і різних коригувальних і пристроїв, що компенсують. Коригувальні пристрої КП₁ і КП₂, щовключаються в контур послідовно або у вигляді внутрішнього зворотного зв'язку, служать для поліпшення динамічних властивостей системи. Пристрої, що компенсують, КУ _З включаються між датчиком Д_f, який сприймає вплив, що обурює, і підсилювально-перетворюючим блоком, і використовуються для поліпшення точності системи.

Рисунок 1. Функціональна структура синтезованої системи

Таким чином, процеси визначення алгоритмічної й функціональної структур всієї системи тісно переплітаються один з одним. Нерідко їх доводиться виконувати декілька раз, чергуючи між собою. Остаточне рішення про структуру системи приймається, як правило, на основі компромісу між точністю і якістю, з одного боку, і простотою й надійністю, з іншої.

Заключним етапом проектування системи керування є параметрична оптимізація - розрахунок настроєчних параметрів обраного регулятора.

Після рішення завдання синтезу звичайно виконують аналіз синтезованої системи: перевіряють, чи має система необхідні показники точності, стійкості і якості.