Основные понятия и классификация автоматических систем управления

К основным в теории автоматического управления относят прежде всего общее понятие управления, понятия составных частей авто­матической системы управления, алгоритма, различных воздействий и др.

Под управлением понимается процесс осуществления совокуп­ности воздействий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого параметра в соответствии с задан­ным алгоритмом функционирования.

Алгоритм — это предписание, которое определяет содержание и последовательность операций, переводящих исходные данные в иско­мый результат.

Алгоритм функционирования представляет собой совокупность предписаний, необходимых для правильного выполне­ния технологического процесса в каком-либо устройстве или сово­купности устройств.

Управляемым объектом называют устройство, кото­рое непосредственно осуществляет технологический процесс, нуждаю­щийся в оказании специально организованных воздействий извне для выполнения его алгоритма.

Автоматическое управляющее устройство осуществляет воздействие на управляемый объект в соответствии с алгоритмом управления.

Точка автоматической системы или устройства, к которой при­ложено рассматриваемое воздействие, называется входом, а та точка, в которой наблюдается эффект, вызванный рассматриваемым воздействием, — выходом. Соответственно и воздействия раз­деляют на входные и выходные.

Автоматическая система испытывает влияние внешних и внутрен­них планируемых задающих и непланируемых возмущающих воз­действий.

Под внешним понимается воздействие извне, то есть внеш­ней среды, а под внутренним — воздействие одной части ав­томатической системы на другую.

Автоматическое управление объектом в соответствии с его алго­ритмом управления осуществляется посредством задающего воздействия. Величину, характеризующую планируемое вы­ходное воздействие управляемого объекта, называют управляемой величиной. По своей природе она может быть различной: механиче­ской, электрической, тепловой, световой, акустической и т. д. Зна­чение управляемой величины, предусмотренное алгоритмом функ­ционирования, принято называть предписанным, а измеренное (фак­тическое) — действительным.

Возмущающим считают воздействие, которое не предус­мотрено алгоритмом управления. Обычно возмущающее воздействие вызывает ухудшение или нарушение работы системы автоматического управления.

Различают воздействие управляющего устройства на управляе­мый объект и, наоборот, воздействие управляемого объекта на упра­вляющее устройство. В первом случае воздействие называется упра­вляющим, а во втором — контрольным.

Классификация автоматических систем управления по несколь­ким основным признакам может быть проиллюстрирована рисун­ком 1.

В зависимости от алгоритма функционирования автоматические системы принято разделять на стабилизирующие, программные, сле­дящие и самоприспосабливающиеся.

В стабилизирующей системе алгоритм функциониро­вания содержит предписание поддерживать управляемую величину постоянной.

Рис. 1. Классификация автоматических систем управления.

Рис. 2. Характеристика статического (а) и астатическо­го (б) регулирования.

Стабилизирующая система в статическом режиме характери­зуется (рис. 2, а) определенными зависимостями выходной величины от входной, которые описываются уравнением

у = С + Δ(х), (1)

где С — постоянная, равная предписанному значению .

у — управляемая величина .

Δ (х) — статическая ошибка, то ость отклонение управляемой величины, зависящее от входного воздействия х.

Для оценки отклонения служат коэффициент (степень) неравно­мерности

и коэффициент статизма

,

где х_н и у_н — номинальные значения входной и выходной величин .

у₁ и у₂ — значения выходных величин, соответствующие входным вели­чинам x₁ и х₂.

Если коэффициенты δ = 0 и k_ст = 0 во всей зоне управления, то управление называют астатическим (рис. 2, б), а автоматическую систему — астатической. Когда же δ ≠ 0 и k ≠0, и управление и автоматическую систему называют статическими.

Характеристики статического и астатического управления (рис. 2, а и б) графически обычно представляют одной линией. В действительности же имеется определенная зона изменения регу­лируемой величины, ширина которой иллюстрирует нечувствитель­ность автоматической системы ε, вызываемую главным образом не­чувствительностью датчиков к малым отклонениям у.

С учетом нечувствительности системы характеристику управле­ния выражают уравнением

у = С + Δ(х)±εС.

При астатическом управлении Δ (х) = 0, то есть управляемая величина независимо от режима работы объекта управления сохра­няет постоянное значение.

Для пояснения принципа действия статических и астатических АСУ в качестве примера рассмотрим систему управления уровнем жидкости в баке (рис. 3).

На рисунке 3, а показана схема ручного управления. Уровень Н измеряется стрелочным прибором, который кинематически связан с поплавком 1. В зависимости от показаний прибора персонал принимает решение и заслонкой 2 изменяет приток Q₁ жид­кости. Это пример разомкнутой системы, в которой изменение вы­ходной величины (уровня Н) не вызывает изменений входной (при­тока Q₁). В таких системах целенаправленные изменения входных величин осуществляются внешними воздействиями (в нашем при­мере — воздействием человека).

Рис. 3. Регулирование уровня жид­кости: а — вручную . б — регулятором прямого действия со статической характеристикой . в — электрическим регулятором косвенно­го действия с статической характери­стикой.

На рисунке 3, б показана замкнутая система автоматического управления уровнем. Изменение уровня Н вызывает перемещение заслонки 2, регулирующей приток Q₁ жидкости. Таким образом, регулирующее воздействие со стороны регулятора на объект будет пропорционально отклонению Δ Н регулируемой величины от задан­ного значения Н_о:

ΔQ = k_pΔH, (4)

где ΔH = H ₀ — H — отклонение уровня Н воды от заданного H _о .

k_p — коэффициент пропорциональности.

Рассматриваемая АСУ имеет статическую характеристику

H = H _о — H (Q). (5)

Примером астатической АСУ может служить система стабилиза­ции уровня жидкости, схема которой показана на рисунке 3, в. При изменении расхода Q₂ и, следовательно, уровня Н_о подвижный контакт, связанный с поплавком /, перемещается по потенциометру 4 и создает разность потенциалов на зажимах исполнительного дви­гателя 3. Двигатель 3 перемещает заслонку 2 так, чтобы уравнять приток жидкости Q₁ с расходом Q₂. Процесс автоматического упра­вления заканчивается тогда, когда уровень жидкости достигнет первоначально заданного значения Н_о. Для изменения заданных зна­чений уровня Н_о служит задатчик 5. При астатическом управлении воздействие на объект со стороны регулятора пропорционально интег­ралу от отклонения управляемой величины, то есть

ΔQ = k∫ΔHdt, (6)

где k— коэффициент пропорциональности.

Таким образом, у астатических регуляторов воздействие со стороны регулятора на объект происходит до тех пор, пока не устранится отклонение регулируемого параметра от заданного значения (в на­шем случае отклонение уровня Δ Н).

Стремление получить хорошие статические и динамические свой­ства, присущие соответственно астатическим и статическим системам регулирования, привело к созданию так называемых изодромных систем управления.

В изодромной системе имеется гибкая обратная связь, благо­даря которой регулирующее воздействие пропорционально отклоне­нию регулируемой величины и его интегралу:

ΔQ = k_pΔH + k∫ΔΗdt. (7)

В такой системе в начале процесса регулирования главное управ­ляющее воздействие, как и в статических Системах, осуществляется по отклонению регулируемой величины, а в переходном процессе, особенно к его концу, возрастает воздействие от интеграла по от­клонению, сводящее самоотклонение к нулю. Следовательно, изодромная система в начале переходного процесса соответствует по свой­ствам статической, а в конце — астатической. Изодромная система управления подробно рассматривается в следующем параграфе на примере изодромного регулятора температуры теплоносителя шахт­ной зерносушилки.

Программной автоматической системой называют систему, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять управляемую величину в соответствии с за­ранее заданной функцией. Примером программной системы может служить автоматическая система управления дополнительным искус­ственным освещением и облучением в теплицах и птичниках. Схема управления строго по программе включает или отключает группы осветительных ламп в определенные часы суток.

Следящей автоматической системой называют систему, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять управляемую величину в зависимости от изменения зара­нее неизвестной переменной величины на входе.

Необходимо отметить, что в программных и особенно в следящих системах управляющее воздействие непрерывно изменяется, поэтому понятия астатической и статической характеристик управления здесь теряют смысл.

Самоприспосабливающаяся (адаптивная) система действует не только в соответствии с заданным алгорит­мом функционирования, но и может в зависимости от конкретных условий самостоятельно изменять свою работу с целью достижения наивыгоднейшего режима. Режим работы такой системы характери­зуется некоторым показателем качества, содержание которого зави­сит от конкретных условий и является функцией одной или несколь­ких величин. Для нее предписанный закон управления изменяется в соответствии с оценкой результата управления так, чтобы один или несколько показателей автоматизируемого процесса оставались в об­ласти заданных значений независимо от непрерывного изменения непланируемых воздействий.

Разновидностями самоприспосабливающихся считают экстремаль­ные, обучаемые и другие системы управления. Экстремальная система автоматически поддерживает минимальное или максимальное зна­чение регулируемой величины. В обучаемой системе алгоритм функ­ционирования изменяется в соответствии с оценкой результата управления. Такая система непрерывно во времени анализирует опыт своей работы⁴, запоминает наилучшие варианты и постоянно совер­шенствует свои свойства. Пока опытных данных недостаточно, обу­чаемая система работает с большими ошибками, но по мере накопле­ния опыта ее деятельность постепенно улучшается.

По характеру взаимодействия регулятора и объекта управления различают автоматические системы с разомкнутой и замкнутой цепью воздействия.

В автоматической системе с разомкнутой цепью воз­действия входными воздействиями управляющего устройства служат только внешние воздействия. Другими словами, это такая автоматическая система, работа которой не зависит от характера реакции на это действие. Разомкнутые системы не могут самостоя­тельно поддерживать с высокой точностью предписанное значение управляемой величины.

В практике наибольшее распространение находят автоматиче­ские системы с замкнутой цепью воздействия, в ко­торых входными воздействиями для управляющего устройства являются как внешние, так и контрольные воздействия, получаемые с объекта управления и по значению пропорциональные управляе­мому параметру.

В зависимости от того, по какому сигналу регулятор получает информацию о протекающих в объекте управления процессах и каким образом осуществляет соответствующие воздействия на упра­вляемую величину, различают несколько основных принципов упра­вления регулирования.

1 Исторически первым был предложен принцип управле­ния (регулирования) по отклонению (принцип Ползунова). Регулятор, действующий по этому принципу, измеряет отклонение управляемой величины от заданного значения и через исполнительный блок воздействует на объект управления. Регу­лятор такого типа (уже рассмотренный нами) представлен на ри­сунке 3.

2 Принцип управления по возмущению (прин­цип Понселе) означает, что управление производится по значению возникшего возмущающего воздействия. Обычно подобный регуля­тор реагирует только на ограниченное число возмущающих воздей­ствий и при большом количестве непланируемых воздействий ока­зывается неприменимым. Преимущество принципа управления по возмущению заключается в том, что вредное влияние возмущающего воздействия может быть устранено до того, как произойдет отклоне­ние управляемой величины! Данный принцип приводит к построению в основном разомкнутых систем* управления и поэтому находит очень узкую область использования.

Цепь воздействия по возмущению обычно используется как до­полнительная связь в системах управления по отклонению. В этом случае система, построенная по принципу отклонения, сохраняет все черты, присущие системе управления по возмущению. Такая система, совмещающая в себе принципы управления по отклонению и по возмущению, называется комбинированной. Дополни­тельная связь по возмущению обычно предназначается для ускоре­ния процесса управления и для уменьшения пределов отклонения управляемой величины.

В зависимости от характера управления во времени автомати­ческие системы управления могут быть непрерывного, прерывистого и релейного действия.

1 Система непрерывного (пропорционального) упра­вления характеризуется тем, что в процессе управления си­гнал у на ее выходе является непрерывной функцией времени и пропорционален воздействующей величине х на входе (рис. 4, а и б).

В системе прерывистого управления в про­цессе регулирования выходное управляющее воздействие у пред­ставляет собой последовательность импульсов, параметры которых (амплитуда, длительность или частота) определенным образом свя­заны с входной величиной х (рис. 4, а и в).

Система релейного управления характеризуется тем, что в процессе управления сигналы у на ее выходе принимают несколько определенных значений в зависимости от входной вели­чины х (рис. 4, а, г и д). Сюда же относятся системы позиционного и вибрационного управления.

Рис. 4. Диаграмма изменения входной величины х (а) и выходной величины у систем непрерывного (б), прерывистого (в), двухпозиционного (г) и трехпозиционного (д) регулирования.

При двухпозиционном управлении регуля­тор занимает только два устойчивых состоя­ния: одно, когда отклонение управляемой величины превысит положительный предел +Δ, и второе, когда изменится знак откло­нения и оно достигнет отрицательного пре­дела -Δ. Управляющие воздействия у в обоих состояниях одинаковы по значению, но различны по знаку (рис. 4, г).

В случае трехпозиционного управления регулятор занимает одно из трех устойчивых положений (рис. 4, в). В диапазоне откло­нений управляемой величины от +Δ до -Δ регулятор находится в так называемом ней­тральном положении.

В зависимости от того, нуждается ли ре­гулятор во вспомогательной энергии или обходится без нее, различают регуляторы прямого и непрямого действия. Вместе с этим и само понятие «управление» делят на прямое и непрямое.

Если для питания исполнительного и регулирующего органов достаточно энергии, получаемой от датчика или непосредственно от управляемой среды, то усилительный ор­ган не требуется. В этом случае речь идет о регуляторе прямого дейст­вия (рис. 3, б). Благодаря простой конст­рукции, малой стоимости и высокой надежно­сти эти регуляторы широко используются в ряде установок.

Регулятор, у которого отдельные органы получают питание от дополнительных источ­ников энергии, называют регулятором непрямого (косвенного) действия (рис. 3, в). Такие регуляторы, разделяемые по виду энергии на электрические, механические, гид­равлические, пневматические, комбинированные, характеризуются высокой точностью работы, более гибки в настройке и в управлении различными режимами.

Существуют и другие признаки классификации автоматических систем: по функциональному назначению, по виду используемой для управления энергии, по взаимосвязи управляемых параметров и т. д.