Классификация систем управления по энергетическому признаку

Хотя переменные — входы и выходы элементов систем управления — в теории управления рассматриваются как носители информации, не следует забывать, что исполнение принятого в управляющем устройстве решения об оказании управляющего воздействия на объект связано с энергетическими затратами, иногда значительными.

Для оказания управляющего воздействия может использоваться энергия самого управляемого процесса, отбираемая через измерительный элемент. В этом случае говорят о прямом регулировании. Широко распространены поплавковые регуляторы уровня прямого действия, например, для карбюраторов автомобильных двигателей (рис. 1.16). Здесь поплавок одновременно осуществляет три операции: измерение уровня, принятие решения об оказании управляющего воздействия и исполнение решения. Аналогичный принцип регулирования уровня воды в котле паровой машины реализовал русский механик И. И. Ползунов. Английский механик Дж. Уатт (J. Watt) построил прямую систему автоматического регулирования частоты вращения вала паровой машины с центробежным датчиком. Следует заметить, что все приведенные примеры систем прямого регулирования реализуют принцип управления по замкнутому циклу.

 

Рис. 1.16. Система регулирования прямого действия

 

Достоинством систем прямого регулирования является простота и надежность. Они, как правило, органично вписываются в конструкцию управляемых объектов, не требуя посторонних источников энергии. Недостатком этих систем является невысокая точность при необходимости обеспечивать большие усилия для перемещения управляющих органов. Например, при стабилизации уровня жидкости в большом резервуаре с помощью регулятора прямого действия пришлось бы сильно увеличивать объем поплавка. Для точного регулирования частоты вращения паровой машины большой мощности, пар в которую подается через регулирующий клапан с большим усилием перестановки штока, необходимо увеличивать вращающиеся массы центробежного датчика, что приводит к ухудшению качества переходных процессов.

Для повышения точности управления объектами, требующими значительных энергетических затрат на управление, необходимо разделение функций между измерительным и исполнительным элементами систем управления. В системах непрямого действия для оказания управляющего воздействия на объект привлекается дополнительный источник энергии. На рис. 1.17 изображена принципиальная схема такой системы для стабилизации уровня жидкости. Измеритель уровня — поплавок — имеет небольшие размеры, так как перемещение подвижного контакта потенциометра П не требует больших усилий. Напряжение Δu, пропорциональное отклонению уровня от заданного, усиливается в усилителе У и приводит во вращение двигатель Д. Двигатель через редуктор Р перемещает клапан на трубопроводе притока жидкости. Как усилитель, так и обмотка возбуждения двигателя потребляют электроэнергию дополнительного источника.

 

Рис. 1.17. Система регулирования непрямого действия

 

Достоинством систем непрямого управления является более высокая точность. Недостатком — большая сложность и стоимость, необходимость дополнительных источников энергии, меньшая надежность.

По виду используемой для управления энергии различают электрические, механические, гидравлические, пневматические, электрогидравлические и другие системы автоматического управления.

 

ЗАДАЧИ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ

 

Основными задачами теории управления являются анализ и синтез систем управления. Под анализом понимается выявление и количественная оценка свойств поведения, а также объяснение свойств систем через характеристики элементов и способ их взаимосвязи. Важнейшими свойствами объектов и систем управления являются: устойчивость движений, инвариантность к возмущениям и робастность (грубость, малая чувствительность). Синтез предполагает выбор элементов и связей между ними таким образом, чтобы система имела требуемое поведение. Таким образом, синтез является задачей, обратной по отношению к анализу. Ясно, что для систем управления в технике имеют важное значение и такие показатели, как надежность, масса и габариты, энергопотребление, стоимость и эксплуатационные расходы, внешний вид и др. За дача обеспечения соответствия этих показателей требованиям решается в процессе проектирования систем управления. Эта задача выходит за рамки теории управления, в которой доминирует поведенческий аспект.

Решение задач анализа и синтеза на реальных объектах возможно в редких случаях. Как правило, это требует много времени, дорого, опасно и не всегда осуществимо. Действительно, управляемый процесс может быть очень длительным (печи и другие тепловые объекты), эксперименты — дорогими (запуск космических ракет) и опасными (ядерные реакторы). Кроме того, объект управления зачастую проектируется вместе с системой управления. Задачи анализа и синтеза в некоторых случаях можно решать с использованием физических моделей (аналогов) объектов.

Теория управления имеет дело с математическими (символьными) моделями. Построение математических моделей объектов и систем управления также является задачей теории управления и смежных с ней дисциплин. Математические модели позволяют решать задачи анализа и синтеза аналитически (расчетным путем) и путем имитации систем управления на компьютерах.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: