Основные цели и этапы синтеза регуляторов

Основной задачей при проектировании системы автоматического управления является выбор её структурной схемы, характеристик и схемы взаимодействия элементов, а также способа их технической реализации, отвечающего динамическим, энергетическим и эксплуатационным требованиям, предъявляемым к системе. Эту задачу можно разделить на две части. Первая часть задачи заключается в выборе источников энергии и определении принципа действия функционально необходимых элементов на основе изучения условий работы проектируемой системы. Вес, габариты, надёжность работы и стоимость системы в значительной мере будут определяться рациональным решением первой части задачи. Вторая часть задачи заключается в выборе структурной схемы и параметров функционально необходимых элементов и корректирующих устройств из условия удовлетворения требованиям, предъявляемым к динамическим свойствам системы. От решения второй части задачи зависят динамические и статические свойства системы автоматического управления, её сложность, стоимость, надёжность и т.д. Естественно, что обе задачи тесно связаны между собой.

Основными этапами синтеза являются:

1) определение эталонной передаточной функции, удовлетворяющей требованиям качества управления;

2) энергетический расчёт элементов;

3) определение структурной схемы и параметров проектируемой системы по желаемой передаточной функции.

На первом этапе синтеза из условия удовлетворения ТТТ (порядку астатизма, минимуму среднеквадратической ошибки, допустимому перерегулированию, длительности переходного процесса, динамической ошибке и т.д.) определяется эталонная передаточная функция системы автоматического управления.

На втором этапе синтеза производится энергетический расчёт элементов, входящих в нескорректированную систему (двигателя, усилителя мощности, измерительного устройства), и определяются параметры этих элементов.

На третьем этапе синтеза определяется конфигурация (полная структурная схема системы с учётом корректирующих устройств), общий коэффициент усиления системы в разомкнутом состоянии, схемы, параметры и место включения корректирующих устройств из условия соответствия передаточной функции скорректированной системы эталонной передаточной функции.

На четвёртом этапе производится экспериментальная доводка системы управления.

С точки зрения сложности задачи синтеза можно разделить на три категории:

1. Задача выбора параметров системы из условия достижения требуемых показателей качества процессов управления (задача выбора

2. Задача синтезарегуляторов (корректирующих устройств), которая состоит в выборе места включения, определении структуры и параметров корректирующих устройств, исходя из требований к качеству процессов управления. Часто в такой постановке место включения корректирующих устройств бывает заданным.

3. Общая задача синтеза системы, заключающаяся в определении общей структурной схемы системы, технических средств её реализации, включая требования к объекту управления, а также всех характеристик и параметров, входящих в систему устройств, на основе технических требований, предъявляемых к системе.

Необходимо отметить, что чем лучше будет решена задача синтеза аналитическим путём, тем меньше будут затраты времени и средств, при переходе к экспериментальным исследованиям и окончательной доводке системы [2].

Условная структурная схема, иллюстрирующая основные этапы создания САУ, приведена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Условная структурная схема, иллюстрирующая процесс
создания САУ сложными объектами

Этап 1. Формулировка цели управления, выбор управляемых переменных и формулировка требований к ним. Пример: система управления баллистической ракеты. Цель управления — поражение объектов вероятного противника; управляемые переменные — углы, характеризующие движение ракеты (курс, крен, тангаж); требования — изменение управляемых переменных должно обеспечить выполнение всего алгоритма управления, включая реализацию точностных параметров и т.д.

Этап 2. Выбор структуры (конфигурации системы), места включения корректирующих устройств. Выбор источников энергии и функционально необходимых элементов с учетом их надежности, массы и габаритов, условий функционирования (вибрация, влажность, температура и др.); выбор мощности исполнительного элемента (она должна соответствовать требованиям, предъявляемым к быстродействию системы, кроме того, на основе опыта должна быть произведена оценка дисперсии на входе привода), энергетический расчет исполнительного устройства, усилителя мощности и т.д. (на этом этапе необходимо помнить о возможной несогласованности энергетического расчета элементов, входящих в систему с динамическим расчетом, результаты которого определяют процессы управления, т.е. динамические процессы, протекающие в системе, в которой потоки информации, а также решения и действия для достижения цели управления структурно реализуются в виде замкнутого контура, т.е. системы с обратной связью). При выборе элементов ориентируются на функциональную полноту, быстродействие, надежность, потребляемую мощность, стоимость, помехозащищенность, технологичность; оценивается значимость различных элементов, давая приоритет тем, которые наиболее существенно влияют на конфигурацию и основные характеристики проектируемой системы.

Результат реализации 2-го этапа: детальная функциональная схема проектируемой САУ с результатами энергетического расчета, т.е. с результатами, полностью характеризующими энергетическую часть системы.

Этап 3. Построение математических моделей функционально необходимых элементов. С помощью изучения физических процессов, протекающих в элементах, или в результате решения задачи идентификации находятся математические модели элементов в форме ДУ или ПФ: объекта управления, гироскопических датчиков углов, датчиков ускорений, угловых скоростей, температуры, давления, расхода и т.д. Важность степени полноты математического описания элементов, а следовательно, и системы в целом, глубокая проработка и конструктивное решение задачи синтеза регулятора приводят к радикальному сокращению всех видов работ (учитывая и материальные расходы, связанные с экспериментальной отработкой системы).

Результат реализации 3-го этапа: детальная структурная схема проектируемой САУ (она не включает ПФ корректирующих устройств).

Этап 4. Выбор эталонной ПФ или эталонной переходной характеристики. Обязательно учитывают при этом два фактора: цель управления и динамические характеристики функционально необходимых элементов (выбор без учета динамических характеристик функционально необходимых элементов может привести к чрезмерной сложности корректирующих устройств, а иногда к их физической нереализуемости, поскольку учет только первого фактора приводит к необходимости синтеза регулятора, обладающего большими возможностями в плане решения задачи коррекции в структуре сложной системы).

Результат реализации 4-го этапа: аналитическая зависимость, определяющая и

Этап 5. Выбор и обоснование структуры корректирующих устройств, реализующих последовательную коррекцию, параллельную коррекцию, отрицательные корректирующие обратные связи (пассивные и активные четырехполюсники постоянного тока, реализующие ПФ реальных интегрирующих, дифференцирующих, инерционных, интегро-дифференцирующих звеньев); дифференцирующие трансформаторы (часто используются в виде параллельных КУ), пассивные четырехполюсники переменного тока, дискретные корректирующие устройства и т.д. Основой для предварительного выбора КУ является ПФ неизменяемой части (например, если ПФ неизменяемой части порождает в области частоты среза отрицательный запас по фазе, то для обеспечения необходимых динамических свойств необходимо вводить КУ, создающее опережение по фазе; если неизменяемая часть САУ содержит слабо демпфированные колебания или консервативные звенья, то используются КУ, подавляющие высокие и средние частоты, создающие отрицательный фазовый сдвиг без изменения АЧХ (фазосдвигающие КУ)).

Результат реализации 5-го этапа: детальная структурная схема проектируемой САУ, содержащая ПФ КУ без численных значений параметров.

Этап 6. Расчет численных значений параметров КУ. При реализации этого этапа целесообразно построить области устойчивости системы в пространстве варьируемых параметров, т.е. найти совокупность значений параметров, при которых система не только устойчива, но и обеспечиваются необходимые запасы устойчивости.

Результат реализации 6-го этапа: первый вариант детальной структурной схемы проектируемой САУ, полученной с использованием аналитического аппарата.

Этап 7. Исследование синтезированной САУ с точки зрения выполнения ею цели управления. 7-й этап завершает оценочный количественный результат, при этом имели место упрощение математических моделей элементов и системы, исключение из рассмотрения некоторых параметров, соотношений, несмотря на их заметное влияние на работу САУ. Все это позволило привлечь хорошо разработанный математический аппарат и получить при принятых допущениях точное решение, которое можно использовать как базовое при реализации следующих этапов создания САУ. Проектирование — это итерационный, нелинейный, творческий процесс, и при первой итерации опытные разработчики прибегают к упрощению сложных систем.

Если качество САУ не удовлетворяет ТТТ, необходимо изменить конфигурацию системы, более конструктивно выбрать функционально необходимые элементы с учетом условий работы САУ и изменить структуру регулятора.

Этап 8. Моделирование САУ. С учетом следующих преимуществ компьютерного моделирования:

· поведение системы можно исследовать при самых разных условиях;

· детальные исследования САУ можно выполнить за короткий промежуток времени;

· изучение поведения системы в таких гипотетических условиях, которые трудно реализуемы в реальных условиях (безопасность и др.);

· выявление параметров, в наибольшей степени влияющих на показатели качества САУ, исследование при различных задающих и возмущающих воздействиях (различные маневры цели, различные точки приложения помех с различными статическими характеристиками), определение чувствительности системы к отказам тех или иных ее составляющих;

· моделирование практически не накладывает ограничений как на степень сложности проектируемой САУ, так и на степень сложности решаемых системой задач (аналитический аппарат в этих случаях практически неприменим)

проводится полное моделирование проектируемой системы с учетом нелинейностей, переменности параметров и др.; оно является основным инструментом проектирования САУ на этапе, предшествующем аппаратной реализации САУ. Математический аппарат и компьютерное моделирование дополняют друг друга.

Результат: один из вариантов структурной схемы проектируемой САУ, поскольку итерационный процесс может быть продолжен.

Этап 9. Формирование технического задания, предварительное эскизное, техническое проектирование и испытание соответственно макетов, экспериментальных и опытных образцов; запуск серийного производства.