50392 (Введение в информационные технологии управления), страница 2

Воздействия на объект, не зависящие от системы управления, называются возмущающими воздействиями (возмущениями). Различают два вида возмущающих воздействий:

• нагрузка;

• помехи.

Нагрузкой является внешнее воздействие, приложенное к управляемому объекту, не зависящее от управляющего устройства и являющееся причиной изменения режима работы объекта.

Помехи – это внешние воздействия на отдельные элементы управляющего устройства или объекта управления, не содержащие информации, необходимой для управления. Помехами являются ошибки измерительных приборов, сбой в электронных машинах и другие нежелательные явления.

Реальные сигналы в системе управления всегда являются смесью полезного сигнала и помехи.

На рис. 1.2 схематически показаны переменные, характеризующие воздействия и состояние объекта управления.

Здесь:

– совокупность управляемых (выходных) переменных обозначена вектором

• совокупность управляющих воздействий – вектором

• задающих воздействий вектором –

• возмущающих воздействий – вектором .

Совокупность переменных, характеризующая состояние объекта управления, обозначим вектором . Если считать, что в системе осуществляется управление всеми координатами состояния объекта, то векторы х и у совпадают.

В общем случае вектор у является нелинейной векторной функцией управляющих переменных и внешних воздействий:

(1)

Координаты векторов и и у называют соответственно управляющими и управляемыми координатами.

Если объект управления характеризуется одной управляющей и одной управляемой величиной, т.е. векторы у и и имеют по одной координате, то объект называется простым, одномерным или односвязным.

Если векторы у и и имеют несколько координат, то объект называется многомерным.

При наличии нескольких взаимно связанных координат векторов
у и и – объект называют многосвязным.

Правило или функциональная зависимость, в соответствии с которой управляющее устройство формирует управляющее воздействие называется законом или алгоритмом управления.

В общем случае эта зависимость может быть записана так:

(2)

где F – некоторая, в общем случае нелинейная векторная функция от управляемых переменных у, задающих воздействий g и возмущающих воздействий f.

Каждый объект управления может рассматриваться в условиях статики и динамики.

В условиях статики компоненты векторов у и и являются постоянными величинами.

При изучении динамики объекта исследуется зависимость компонент вектора у от времени, т.е. .

Параметры объекта могут быть сосредоточенными (постоянными по всем геометрическим координатам) и распределенными (переменными хотя бы по одной координате). Естественно, в первом случае используются обыкновенные дифференциальные уравнения, во втором – дифференциальные уравнения в частных производных (аргументы – время и, по крайней мере, одна геометрическая координата).

Для систем, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями, можно написать

i =1, 2, …, n. (3)

Для решения этой системы уравнений должны быть заданы начальные условия.

Если система уравнений (3) может быть сведена к системе линейных дифференциальных уравнений, то объект называется линейным. При описании объекта системой нелинейных дифференциальных уравнений его относят к нелинейным.

При изучении статики определяют характер зависимости управляемых координат у от управляющего воздействия и, называемой статической характеристикой объекта.

Объект управления может быть устойчивым, неустойчивым и нейтральным.

Объект устойчив, если после кратковременного внешнего воздействия он с течением времени возвратится к исходному состоянию или состоянию, близкому к нему.

Различают устойчивость «в малом » и устойчивость «в большом ». Некоторые нелинейные объекты могут быть устойчивы «в малом», т.е. при воздействиях, не превышающих определенные пределы, и неустойчивы «в большом», т.е. при воздействиях, больших некоторой величины.

Координата у_i в устойчивом объекте возвращается в исходное состояние после воздействия u продолжительностью .

В неустойчивом объекте после окончания воздействия отклонение от начальной величины управляемой координаты продолжает увеличиваться.

Нейтральными объектами являются такие объекты, в которых по окончании воздействия устанавливается новое состояние равновесия, которое зависит от произведенного воздействия.

Механической аналогией здесь является шарик. В лунке его положение устойчиво, на вершине холма – неустойчиво, а на плоскости он в любом месте находится в равновесии.

Принципы автоматического управления

Системы управления разделяются на замкнутые и разомкнутые.

В разомкнутой системе управляющее воздействие вырабатывается на основе информации о величине возмущающих воздействий, характеристиках объекта и цели управления. В таких системах управляющее устройство не получает информации о результатах управления. Такое управление называют жестким.

В замкнутой системе управляющее воздействие вырабатывается на основе информации о характеристиках объекта, цели и результатах управления. В таких системах осуществлен замкнутый цикл передачи воздействий, т.е. значение управляемой величины на выходе объекта влияет на значение управляющей величины на входе объекта, т.е. эта система с обратной связью. Обратной связью называется подача сигнала с выхода какого-нибудь устройства на его вход.

В разомкнутой системе реализуется принцип управления по возмущению.

Основным недостатком разомкнутых систем является то, что в них необходимо измерять и компенсировать отдельно влияние каждого возмущающего воздействия.

Важным достоинством разомкнутых систем является их простота, и они широко используются для решения относительно простых задач управления.

В замкнутой системе управления для формирования управляющего воздействия используется отклонение текущего значения управляемой величины от требуемого значения.

Если обозначить требуемый закон изменения управляемой величины через g(t), то, принцип автоматического управления построен на использовании для управления объектом величины

(4)

называемой ошибкой или рассогласованием системы.

Величина отличающаяся от только знаком:

(5)

называется отклонением.

Принцип управления, основанный на использовании отклонения для формирования управляющего воздействия u(t) носит название управление по отклонению.

Для его реализации необходимо измерить величину у(t), сравнить ее с величиной g(t) и в зависимости от величины или осуществлять управляющее воздействие на объект, сводя величину отклонения к минимуму или нулю, и тем самым обеспечить изменение управляемой величины по заданному закону.

При управляющее воздействие должно увеличивать управляемую величину у, а при – уменьшать.

При управляемая величина имеет требуемое значение и величина управляющего воздействия u(t) должна быть равной нулю.

Важным преимуществом систем управления, работающих на принципе управления по отклонению, является отсутствие жестких требований к стабильности характеристик элементов управляющего устройства и объекта. Это связано с тем, что изменение параметров управляющего устройства или объекта вызывает появление ошибки (отклонения), которая обнаруживается системой и ликвидируется при помощи управляющего устройства.

Следует отметить, что в системах управления работающих на принципе управления по отклонению, к точности устройств, измеряющих величину отклонения, предъявляются весьма жесткие требования.

Системы управления, работающие по отклонению, представляют собой системы с обратной связью.

В зависимости от того, прибавляется сигнал обратной связи к входному сигналу или вычитается из него, имеет место положительная или отрицательная обратная связь.

Наряду с важными достоинствами, системам с обратной связью присущи и некоторые недостатки:

• Во-первых, для управления по отклонению необходимо наличие отклонения, т.е., прежде чем ликвидировать отклонение, необходимо, чтобы оно сформировалось;

• Во-вторых, в замкнутых системах возможно возникновение колебаний.

Оба этих недостатка отсутствуют в системах управления, работающих по возмущению. Поэтому для повышения точности систем управления применяются комбинированные системы управления, построенные на использовании сочетания обоих основных принципов управления – по возмущению и отклонению.

Системы комбинированного управления представляют собой один из наиболее совершенных типов. Они находят широкое применение в тех случаях, когда предъявляются высокие требования к точности управления. Для применения комбинированного управления необходимо иметь возможность измерять основные возмущающие воздействия.

Функциональная схема системы автоматического управления

Системы управления, реализующие информационные технологии являются сложными комплексами взаимодействующих между собой лиц, принимающих решения, технических устройств и элементов, работающих на различных физических принципах (механических, электрических, гидравлических и др.).

Графическое изображение системы автоматического управления позволяет отвлечься от конкретной физической природы элементов реальной системы.

Функциональной схемой называется схема, отражающая взаимодействие элементов и устройств автоматики в процессе работы системы управления.

При этом под элементом, как правило, подразумевается конструктивно обособленная часть системы управления, выполняющая одну определенную функцию.

На функциональной схеме элементы изображаются в виде прямоугольников, а входные и выходные величины (сигналы) – в виде прямых линий со стрелками, указывающими направление передачи воздействий (сигналов).

Все многообразие входящих в систему управления элементов обеспечивающих выполнение ИТ по их функциональному назначению в системе управления может быть разбито на несколько типов.

Элемент сравнения является сумматором и обозначается кружком с секторами. Сектор, к которому суммируемая величина подводится со знаком «+», не зачерняется; сектор, к которому суммируемая величина подводится со знаком «– «, зачерняется.

Кроме перечисленных устройств в системе управления могут использоваться корректирующие устройства, предназначенные для улучшения свойств системы.

Совокупность всех элементов системы, кроме объекта управления, образует управляющее устройство, или регулятор. Управляющее устройство изменяет состояние объекта управления путем воздействия на его управляющий (регулирующий) орган.