Классификация систем управления

1.3.1. Основные классификационные признаки

В основу классификации могут быть положены различные признаки. Классификация по основным из них представлена на рис. 1.6. Одним из главных признаков является метод управления, по которому САУ подразделяются на системы, неприспосабливающиеся к изменяющимся условиям работы объекта регулирования и приспосабливающиеся (или адаптивные) системы.

Рис. 1.7. Классификация систем автоматического управления и регулирования

Неприспосабливающиеся САУ — это наиболее простые системы, не изменяющие своей структуры и параметров в процессе управления. Большинство САУ относятся к неприспособливающимся. Для этих систем на основе априорной (существует до начала работы) информации выбирают структуру и параметры, которые обеспечивают заданные свойства системы (выполнение целей управления) для типовых или наиболее вероятных условий ее работы.

Неприспосабливающиеся САУ подразделяются на три типа:

– стабилизирующие системы, обеспечивающие поддержание постоянного заданного значения регулируемой величины;

– программные системы, обеспечивающие изменение регулируемой величины во времени по заданной программе изменения задания;
– следящие системы, обеспечивающие изменение регулируемой величины в определенном соотношении с задающим воздействием (можно рассматривать, что заданное значение изменяется произвольным образом, не зависящим от данной системы).

В зависимости от степени участия человека системы управления делятся на автоматизированные и автоматические.

В автоматических системах участие человека ограничивается функциями инициализации задачи управления.

В автоматизированных системах функции управления выполняемые человеком, как правило, связаны с выбором вариантов при многовариантных решениях.

Большинство систем автоматического управления замкнутые, т.е. для принятия решения об изменении состояний объекта управления используется информация о результатах управления, т.е. используется принцип обратной связи. Обратная связь называется положительной, если ее введение увеличивает значение х_вых (по сравнению со значением без обратной связи), и отрицательной, если оно уменьшает значение х_вых. При положительной обратной связи выходная величина ОС х_ос суммируется с входной величиной х_вх, при отрицательной вычитается. Таким образом, входная величина основного элемента при введении ОС

. (1.6)

Таким образом, входной величиной регулятора является отклонение регулируемой величины от ее заданного значения е, а выходной величиной — положение исполнительного механизма у. Величина у является входной величиной объекта — управляющим (регулирующим) воздействием.

В замкнутой системе автоматического регулирования одной величины на вход элемента сравнения поступает измеренное значение регулируемой величины х и установленное оператором с помощью задающего элемента (задатчика) заданное ее значение х₀=хe. Величина отклонения ₀-х поступает на вход регулятора, который вырабатывает регулирующее воздействие у с целью устранения отклонения объекта от желаемого состояния, а, следовательно, поддержания заданного значения х₀ регулируемой величины х. Такие САУ называются системами с регулированием по отклонению. Роль человека в такой системе сводится в установке задания регулятору; а основная задача стабилизации значения регулируемой величины осуществляется без участия человека, автоматически.

В некоторых случаях принцип обратной связи использовать не удается или его использование приводит к существенным затратам. В иных случаях когда известна реакция системы на возмущение известны динамические характеристики объектов управления и потенциальные возможности управляющего органа используется управление по разомкнутому циклу. Для построения электромеханических систем такого типа необходимы исполнительные органы, имеющие жесткие механические характеристики (синхронные машины, шаговые двигатели)

Разомкнутые системы при относительной простоте и низкой стоимости обладают следующими недостатками:

-не учитывается возможная неточность отработки входного воздействия.

-не учитывается влияние случайных возмущений (электрические помехи, механические толчки и вибрация)

-не учитывается изменение состояния объекта в процессе эксплуатации.

По числу регулируемых величин САУ делятся на одномерные и многомерные (или многосвязные). Одномерные САУ — это системы управления простейшими объектами с одной регулируемой величиной. Например, в приводах подач станков регулируемой величиной является только одна величина –скорость и поэтому САУ будет одномерной (аналогично в электрической печи с неконтролируемой атмосферой имеется только одна регулируемая величина — температура печи).

В большинстве случаев САУ регулируют несколько величин и являются многомерными. В некоторых многомерных системах можно выделить несколько каналов регулирования. Каждая регулируемая величина определяется своим регулирующим воздействием и канал имеет свой регулирующий орган (состояние которого практически не влияет на другие регулируемые величины). Тогда сложный объект как бы распадается на несколько одномерных объектов с одномерными САР. Вместе с тем для многомерных систем характерно наличие связей между регулируемыми величинами. Связи эти могут быть двух родов. Первый род связей — внутренние, обусловленные физическими свойствами объекта. Так, если в приводе подач регулируется момент, то изменение момента будет одновременно оказывать влияние и на скорость подачи. Второй род связей — внешние, т. е. между отдельными регулируемыми величинами. Эти связи накладываются на систему по условиям ее функционирования или на основании требований технологического процесса. Так, при работе привода в составе системы программного управления он оказывается внутри контура позиционного управления.

В зависимости от принципа представления информации, системы управления делятся на:

- непрерывные системы (аналоговые);

- дискретные системы.

В непрерывных САУ информация о работе системы и регулирующие воздействия — непрерывные функции времени. В каждом элементе непрерывных систем при наличии непрерывного изменения входной величины непрерывно изменяется и выходная величина. В прерывистых АСУ информация и регулирующие воздействия появляются только в определенные моменты времени, т. е. в системе существует минимум один элемент, в котором при наличии непрерывного изменения входной величины выходная величина изменяется прерывисто (скачкообразно) или существует только в определенные (дискретные) моменты времени.

Непрерывные системы в свою очередь делятся на:

– линейные системы;

– нелинейные системы.

К линейным относятся системы, поведение которых описывается линейными дифференциальными уравнениями. Поскольку систем, абсолютно точно описываемых линейными дифференциальными уравнениями, практически не существует, то к линейным системам относятся так называемые линеаризованные системы, описываемые линейными дифференциальными уравнениями приближенно, при определенных допущениях и ограничениях. К нелинейным САУ относятся системы, поведение которых описывается нелинейными дифференциальными уравнениями. При этом в систему достаточно включить один нелинейный элемент (все остальные линейные), чтобы сделать всю систему нелинейной.

Дискретные системы делятся на:

– релейные;

– импульсные;

– цифровые.

В релейных системах один из элементов, обычно регулятор, имеет релейную характеристику: его выходная величина скачкообразно изменяется при определенном значении входной величины.

В импульсных САУ присутствует минимум один элемент с импульсной характеристикой: при непрерывном изменении входной величины выходная величина появляется только в определенные, дискретные, моменты времени. Импульсные характеристики могут иметь различные элементы: чувствительный (или преобразующий) элемент (информация о выходной величине поступает периодически) или регулятор.

В цифровых система используются цифровые устройства: электронные цифровые вычислительные машины, цифровые измерительные приборы, цифровые регуляторы (контроллеры), созданные на базе микропроцессорной техники.

В зависимости от того, в каком параметре импульсного сигнала (рис. 1.8) содержится информация, различают:

1) Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ).

Рис. 1.8. Диаграмма импульсного сигнала

- var,

- const,

- const.

2) Широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

- var,

, - const.

Скважность импульса - var.

3) Частота импульсной модуляции (ЧИМ).

- var,

, - const,

, - const.

4) Фазы импульсной модуляции (ФИМ).

- var,

, , - const.

Фаза – это временной сдвиг рабочей последовательности импульсов от некоторой опорной последовательности.

В зависимости от степени однозначности описания реакции объекта управления на входное воздействие, системы делятся на:

-стохастические;

-детерминированные.

В зависимости от типа и физической природы выходных параметров объектов управления,системы управления делятся на:

-системы с сосредоточенными параметрами;

-системы с распределенными параметрами.

Объекты управления, которые можно характеризовать значением регулируемой величины в одной точке пространства, называются объектами с сосредоточенными параметрами. В этих объектах регулируемая величина в процессе работы является функцией только времени. Другие объекты необходимо характеризовать значением регулируемой величины в нескольких точках пространства (температура нагреваемого металла по длине проходной печи, давление газов по высоте шахтной печи) или распределенными в пространстве регулирующими воздействиями. Такие объекты называются объектами с распределенными параметрами.

^ 1.3.2. Следящие системы управления

СЛЕДЯЩЕЙ называют систему, воспроизводящую на выходе с заданной точностью входное воздействие,закон изменения которого заранее не известен.

Рис. 1.9. Структурная схема следящей системы

ЗО-задающий орган

Дзо-датчик задающего органа

УО- упраляющий орган

ОУ-орган упраления

Доу-датчик органа управления

Датчик задающего органа вырабатывает информацию о желаемом состоянии объекта управления. Датчик ОУ формирует информацию о реальном его состоянии. Управляющий орган в результате сравнения двух потоков информации формирует команду управления приводящий объект в желаемое состояние.

^ 1.3.3. Оптимальные системы управления

Оптимальная система обеспечивает наилучшее в смысле некоторого критерия управление объектом. В качестве критерия, как правило, выступают технические показатели системы: время, производительность, КПД, точность, надежность и т. д. или экономические показатели: себестоимость, экономическая эффективность, приведенные затраты и др. В качестве сложных критериев вида:

, (1.7)

где q_i - коэффициент веса соответствующего критерия;

x_i - некоторые частные критерии;

- погрешность;D

R_z - шероховатость;

t_маш - время обработки.

Одним из распространенных критериев является критерий обеспечения максимального быстродействия

(1.8)

Если принять условие равной значимости отдельных критериев, то:

q₁ = q₂ = q₃ = 1/3.

Если существует необходимость отдать предпочтение какому-либо частному критерию, то ему назначается больший q. Однако в большинстве случаев оптимальная система строится при использовании одного критерия. Учет других критериев осуществляется через различного рода ограничения.

^ 1.3.4. Адаптивные системы управления

В тех случаях когда объект управления имеет широкий диапазон изменения динамических характеристик и реальное условие его эксплуатации в полном объеме не известны применяют адаптивные и самоприспосабливающиеся системы. Ни одна система управления с фиксированными параметрами и структурой, не обеспечивает требуемых показателей качества управления в этих условиях.

Адаптивные системы в зависимости от способа управления делятся на:

-самонастраивающиеся системы;

-самоорганизующиеся системы;

-самообучающиеся системы.

Самоприспосабливающиеся (или адаптивные) САУ – это такие системы, в которых параметры управляющих устройств или алгоритмы управления автоматически и целенаправленно изменяются для осуществления оптимального управления объектом, причем характеристики объекта или внешние воздействия на него могут изменяться заранее непредвиденным образом. Адаптивные САУ способны менять структуру, параметры или программу своих действий в процессе управления.

Особым случаем таких систем являются экстремальные системы. Экстремальные системы автоматически ищут экстремум управляемой величины, а так как его положение изменяется в процессе работы объекта, то система автоматически изменяет направление поиска, скорость его и т.д. (изменяет программу своих действий).

Большинство самоприспосабливающиеся систем используют с целью получения оптимальных условий работы объекта, характеризуемых экстремумом критерия качества, при определенных ограничениях и потому являются в некотором смысле оптимальными системами.

Самоприспосабливающиеся САУ реализуются с использованием УВМ, исключение могут составлять экстремальные системы. Для работы УВМ необходимо наличие аналитического описания (математических моделей) объекта управления и других элементов системы, а также алгоритмов адаптации и управления, по которым и рассчитываются характеристики системы, обеспечивающие оптимизацию работы объекта.

Самонастраивающиеся системы – это системы, в которых на основании информации о возмущающих воздействиях, динамических характеристиках объекта управления, получаемой в процессе управления, осуществляется оперативное изменение параметров управляющего органа, обеспечивающие достижение желаемого качества процесса управления.

Рис. 1.10. Структурная схема самонастраивающейся САУ

УО-управляющий орган

ОУ-объект управления

АК-анализатор качества

2 контура: 1-основной; 2-ой - контур адаптации.

Анализатор качества выполняет функции датчика параметрических отклонений. На его выходе формируется сигнал, который позволяет идентифицировать изменение соответствующего органа, приводящего процесс управления к желаемому виду.

Различают пассивные и активные методы адаптации системы. В первом случае связь структуры и настроек системы с изменяющимися условиями работы объекта задается заранее на основе априорной информации. Пассивные методы адаптации возможны при нестационарных объектах управления с известными закономерностями изменения параметров. Если параметры нестационарного объекта изменяются неизвестным образом, то применяют активные методы адаптации (изменение структуры и настроек) на основе анализа текущей информации о работе объекта. Примером пассивного метода самонастройки адаптивной САУ может служить система управления тепловым режимом проходной нагревательной печи с коррекцией заданий и настроек регуляторов в зонах по темпу выдачи заготовок. При этом задается связь между изменением темпа выдачи заготовок и изменением заданий и настроек всех локальных регуляторов. Примером активного метода самонастройки АСУ является система оптимального управления нагревательной печью, когда задания и настройки всех локальных регуляторов определяются из условий максимальной производительности печи на основе текущей информации о процессе.

В соответствии с вышесказанным самонастраивающиеся системы делятся на:

- поисковые системы;

- безпоисковые системы.

В поисковых системах контур адаптации делает пробные изменения параметров УО и контролирует реакцию системы на это изменение. Если соответствующее изменение привело к улучшению процесса управления, то делается следующий шаг в том же направлении изменения параметров. Если нет, то происходит изменение направления параметров (т.е. реализуется закон экстремального регулирования).

Рис. 1.11. Структурная схема беспоисковой самонастраивающейся

системы

В контур адаптации входят: эталонная модель, анализаторы качества процессов управления в модели АКм и в основном контуре Акок и исполнительный орган самонастройки, ЭМ формирует процесс управления объектом с идеальными (желаемыми) показателями качества.

Самоорганизующиеся системы -это адаптивные системы, в которых приспособление к изменению внешних условий достигается за счет изменения структуры системы, т.е. происходит включение и выключение дополнительных контуров управления и корректирующих устройств. Такое изменение системы называется количественным изменением системы.

Самообучающиеся системы - это такие системы, которые улучшают алгоритм своего функционирования на основании анализа опыта управления. Система делает пробные изменения алгоритма управления и анализирует качество процесса управления. Если качество улучшается, то делается изменение алгоритма в том же направлении. Если нет, то происходит смена направления изменения алгоритма.