Классификация систем автоматического управления

Сложность современных автоматических систем не позволяет дать их однозначную классификацию, так как ряд классификационных признаков оказывается присущим САУ различных типов. С другой стороны, классификация способствует наглядному и системному подходу к изучению САУ, объединенных общими признаками. С точки зрения теории автоматического управления классификацию САУ можно представить в виде схемы, представленной на рис. 1.4.

Рассмотрим более подробно классификационные признаки САУ.

 

 

Рис. 1.4

По принципам автоматического управления САУ разделяют на разомкнутые и замкнутые.

В разомкнутых САУ входными воздействиями на автоматическое управляющее устройство (АУУ) являются только внешние воздействия: возмущающие и задающие. При этом АУУ не получает информации о результатах управления.

Если АУУ вырабатывает управляющее воздействие только в функции задающего воздействия g(t) (рис.1.5), то такая система называется разомкнутой системой программного управления. Поскольку такое управление осуществляется без учета действительного значения управляемой величины, характеристик объекта и известных внешних воздействий, то оно называется жестким.

Рис.1.5

Примером системы с жесткой программой может служить система автоматического пуска и остановки комплекса машин, в которой должна выдерживаться определенная последовательность работы отдельных механизмов: станки с программным управлением; технологический процесс точечной сварки и др.

Системы, использующие принцип управления по возмущению вырабатывают управляющее воздействие в функции возмущения на объект управления, т.е. АУУ компенсирует возникающие возмущения (рис.1.6).

Рис.1.6

Этот принцип обеспечивает высокое быстродействие, т.к. система реагирует непосредственно на причину, а не на следствие. Недостаток- избирательность принципа, т.е. учет действия лишь одного или нескольким возмущающих воздействий, на которые реагируют АУУ. Поэтому точность таких систем невелика.

Примером может служить САР температуры в нагревательной печи, отапливаемой газом (рис.1.7). В ней основным возмущением является изменение давления газа в газопроводе, которые вызывает изменение расхода топлива и, следовательно, температуры в печи. Для компенсации изменения давления в газопроводе 1 установлен регулятор 2, который получает информацию о значении давления (возмущения) и по заранее установленному закону изменяет положение регулирующего органа (заслонки), обеспечивая постоянное давление (и расход) на входе горелки 3. Следовательно, изменение давления в газопроводе не будет сказываться на температуре печи 4.

Рис.1.7

В рассматриваемой САР регулируемая величина- температура печи, но эта текущая информация регистрируется датчиком 5, но не используется системой, т.е. контур регулирования разомкнут. Контур компенсации возмущения также разомкнут, так как его выходная величина (изменение положения регулирующего органа) не оказывает никакого влияния на входную величину (давление в газопроводе).

Замкнутыми называются такие системы, в которых для создания управляющего воздействия используется информация о действительном значении регулируемой величины (рис.1.2).

Эти системы используют принцип управления по отклонению (принцип Ползунова- Уатта)- называются замкнутыми, т.к. используют рабочую текущую информацию о выходных величинах, определяют отклонение регулируемой величины от ее заданного значения и принимают меры к уменьшению и устранению этого отклонения.

Информация о воздействиях передается с помощью определенной связи. Связь между входом и выходом элементов САУ называется прямой, а связь между выходом и входом - обратной. Наличие обратной связи в САУ приводит к образованию замкнутого контура воздействий. Поэтому САУ с обратными связями называются замкнутыми.

В этом случае АУУ должно содержать чувствительный элемент (ЧЭ) для измерения y(t) (рис.1.8), элемент сравнения (СЭ) и исполнительный элемент, обеспечивающий получение управляющего воздействия u(t).

Рис. 1.8

АУУ вырабатывает сигнал u(t) в зависимости от величины сигнала рассогласования x(t) между текущим y(t) и задающим значением сигнала g(t), т.е. x(t) = g(t) - y_0.c(t). Если сигнал обратной связи y_0.c(t) складывается с входным сигналом g(t), то такая обратная связь называется положительной, а если вычитается - отрицательной.

На схемах сравнивающий элемент при положительной обратной связи не имеет затушеванного сектора внутри окружности, при отрицательной – имеет. Обратная связь может быть жесткой и гибкой. Жесткой называется обратная связь, которая зависит только от величины сигнала, проходящего через эту связь и не зависит от времени. Гибкая обратная связь- это такая связь, которая проявляется только во время переходного процесса.

Преимуществом замкнутых систем является то, что отклонение выходной величины, вызванное любым возмущением g(t) или f(t) приведет к появлению управляющего воздействия u(t).

Недостатком принципа управления по отклонению является то, что управление начинается только после возникновения отклонения. А поскольку система замкнута, то как будет показано ниже, в ней могут возникать автоколебания и неустойчивые режимы работы.

Поэтому чаще системы строят на принципе комбинированного управления , сочетая два основных принципа - управление по возмущению и по отклонению, используя достоинства и уменьшая недостатки обоих принципов. Кроме того, улучшить показатели качества САУ в переходных режимах можно за счет образования корректирующих устройств - т.е. введением местных обратных связей. Тогда САУ имеющие только одну (главную) обратную связь называют одноконтурными, а имеющие как главную так и местные обратные связи – многоконтурными.

Большинство систем в процессе работы не меняет своей структуры и параметров настройки. Для них, на основе априорной (существующей до начала работы ) информации, выбирают структуру и параметры, которые обеспечивают заданные свойства системы (выполнение целей управления) для типовых или наиболее вероятных условий ее работы. Такие системы называются неприспосабливающиеся к условиям работы. Они подразделяются на стабилизирующие, программные и следящие.

К стабилизирующим системам относятся автоматические системы, предназначенные для поддержания постоянного значения (в заданных пределах) регулируемой величины. Они должны устранять отклонения регулируемой величины от заданного значения, вызываемые возмущающими воздействиями. В этих системах задающие воздействия являются постоянными величинами. Примером могут служить системы автоматического регулирования давления воздуха в ресивере, регулирование напряжения в электрооборудовании автомобиля или трактора.

Стабилизирующие системы по их свойствам в установившемся режиме можно разделить на статические и астатические.

Системы, у которых отклонение регулируемой величины от заданного значения в установившемся режиме пропорционально внешнему воздействию (нагрузке), вызвавшему это отклонение, называются статическими.

Рассмотрим простейшую схему автоматического регулирования уровня бензина в поплавковой камере карбюратора (рис.1.9).

Рис.1.9. Рис.1.10

Запорный клапан 1, изменяющий приток жидкости q, поступающей в резервуар по каналу 2, связан рычагами 3 с поплавком 4. Управляемым объектом в данном случае является резервуар, управляемой величиной - высота уровня жидкости h и нагрузкой объекта - расход жидкости Q по трубке 5.

При увеличении расхода жидкости Q высота ее уровня h уменьшается, поплавок 4 опускается и больше открывается запорный клапан 1. Приток жидкости q увеличивается и равновесие наступает при q = Q. Очевидно, что при разных нагрузках поплавок и запорный клапан будут занимать соответственно разные положения, т.е. регулируемая величина h будет изменяться в соответствии с изменением нагрузки Q.

На рис. 1.10 показана характеристика статического регулирования уровня жидкости h в резервуаре в зависимости от ее расхода Q. Если Q отличается от номинального значения Q_ном, происходит соответствующее отклонение уровня жидкости h от номинального значения h_ном. Отклонение регулируемой величины от номинального значения при отклонении нагрузки от номинального значения называется статической ошибкой системы. На рис.1.10 заштрихованные области показывают значения абсолютных статических ошибок ∆ h = h - h_ном.

Неравномерностью (или статизмом ) регулирования ψ в данной точке называют относительную крутизну характеристики регулирования в этой точке, т.е.

Ψ =(dh/dQ)*(Q_ном.h_ном.).

Когда статическая ошибка нежелательна, переходят к астатическому регулированию. САР, у которых статическая ошибка в установившемся режиме равна нулю (практически находится в пределах зоны нечувствительности) и не зависит от нагрузки объекта, называются астатическими.

Примером астатической САР может быть система регулирования давления воздуха в ресивере или жидкости в гидроаккумуляторе. Характеристика этих САР имеет вид, представленный на рис.1.11.

Очевидно, что P не зависит от нагрузки (расхода Q). Колебание P в пределах от Р_min до Р_max определяется зоной нечувствительности ∆ Р регулятора давления и зависит не от нагрузки, а от параметров регулятора.

 

 

Рис. 1.11

 

 

Программная САУ – это система, у которой заданное значение регулируемой величины изменяется по определенной, заранее установ-ленной программе. Программные системы широко применяются в станках, термических закалочных печах, температура в которых изменяется по заранее заданной программе и т.д.

Следящая САУ – это система, у которой управляемая величина изменяется в соответствии с изменением по произвольному закону величины на входе, т.е. управляющее воздействие на входе является неизвестной функцией времени. Например, автоматическое движение кабелеукладчика вдоль траншеи.

Адаптивные (самонастраивающиеся, самоприспосабливающиеся) системы – это такие системы, в которых для осуществления требуемого (экстремального или оптимального) управления объектом, параметры и структура управляющего устройства (регулятора) автоматически изменяются на основе анализа поступающей информации о результатах управления и возмущениях.

Самонастраивающиеся системы принято разделять на экстремальные и оптимальные. Экстремальные системы автоматически ищут экстремум управляемой величины, а так как его положение изменяется в процессе работы объекта, то система может автоматически принять программу своих действий. Если экстремумом является критерий оптимальности, то САУ является оптимальной.

В экстремальных системах дополнительным элементом является счетно - решающий блок. Для его работы необходимо наличие аналитического описания (математической модели) объекта управления и других элементов системы, а также алгоритмов адаптации и управления, по которым и рассчитываются характеристики системы, обеспечивающие оптимизацию работы объекта.

По характеру математического описания статических и динамических режимов САУ подразделяются на линейные и нелинейные. Линейные САУ описываются в статике линейными алгебраическими уравнениями, а в динамике - линейными дифференциальными уравнениями.

Один из характерных признаков линейных САУ – проявление принципа суперпозиции, заключающегося в том, что реакция линейной системы на несколько воздействий равна сумме реакций на каждое из воздействий в отдельности.

Нелинейные САУ описываются нелинейными уравнениями. При этом в системе достаточно иметь один нелинейный элемент, чтобы вся система была нелинейной.

По характеру связи между входной и выходной величинами САУ подразделяются на непрерывные и дискретные. В непрерывных САУ между выходными и входными величинами существует непрерывная функциональная зависимость. Процесс управления в непрерывных САУ носит непрерывный характер.

В дискретных САУ выходная величина не имеет связи с входной представляется в виде последовательности импульсов, амплитуда, длительность и частота которых зависит от значения входной величины в соответствующие моменты времени.

Дискретные САУ подразделяются на релейные, импульсные и цифровые. В релейных системах выходная величина скачкообразно изменяется при подаче на вход непрерывного воздействия и достижения им порогового значения. Релейные регуляторы бывают двух и трехпозиционные. Двухпозиционные регуляторы имеют положение «включено» и «выключено», трехпозиционные- три положения: нейтральное, при котором отсутствует воздействие регулятора на объект; «плюс», при котором воздействие на объект положительное и «минус» при отрицательном воздействии.

К релейным регуляторам относятся регулятор давления воздуха в ресивере, реле-регулятор напряжения.

САУ, у которых имеется импульсное звено, формирующее управляющие воздействия в виде последовательности импульсов, называются импульсными. Управляющие сигналы в импульсных системах могут модулироваться по амплитуде, частоте или длительности (скважности).

САУ, в которых используются цифровые устройства- электронные цифровые вычислительные машины, цифровые регуляторы (микроконтроллеры), называются цифровыми. Выходной сигнал такие регуляторы выдают в виде двоичного или другого цифрового кода.

По наличию в системе дополнительных источников энергии САУ делятся на системы прямого и непрямого управления. В системах прямого регулирования регулирующий орган перемещается непосредственно чувствительным элементом, без дополнительных источников энергии.

В системах непрямого регулирования имеются устройства, позволяющие усиливать сигнал управления. Такими устройствами являются усилители (пневматические, гидравлические, электрические). Они могут быть совмещены с исполнительными элементами.

В зависимости от числа регулируемых величин САУ делятся на одномерные и многомерные. Одномерными называются системы с одной регулируемой величиной (рис.1.2). Многомерными называются системы с несколькими регулируемыми величинами и используются для управления объектами, нормальное функционирование которых требует изменения не менее двух физических величин. Например, в генераторах переменного тока необходимо регулировать величину напряжения и его частоту.

Многомерные САУ подразделяются на системы несвязанного и связанного регулирования. В системах несвязанного регулирования регуляторы не имеют между собой связи. В системах связанного регулирования такая связь имеется, т.е. каждый регулятор действует на все или несколько регулируемых величин.

Приведенная классификация систем автоматического управления и регулирования свидетельствует о большом их разнообразии, а подробное рассмотрение классификационных признаков позволяет оценить их достоинства и недостатки, что дает возможность сделать правильный выбор принципов, алгоритмов управления и средств для их реализации при создании необходимых в работе средств автоматизации. Такой подход позволяет избежать грубых просчетов и определит эффективность и надежность САУ уже на стадии проектирования.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: