Г.К. Гудвин - Проектирование систем управления (1054010), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Каждый из этих шагов был связан с соответствующим бурным развитием теории управления. В начале использования фундаментальной концепции обратной связи разработчики иногда сталкивались с неожиданными результатами. Это стало катализатором для строгого анализа.

Например, если мы вернемся к центробежному регулятору Уатта, оказалось, что при некоторых условиях он может создавать автоколебания. К концу 19-ю столетия ряд исследователей (включая Максвелла) показали, как эти колебания могли быть описаны через свойства обыкновенных дифференциальных уравнений.

События периода Второй Мировой войны были также ознаменованы существенными достижениями в теории управления. Например, пионерские работы Воде, Найквиста, Никольса, Эванса и других появились именно в это время, что привело к простым графическим средствам для анализа систем управления с одним входом и одним выходом. Эти методы теперь известны под именем «Классическая теория управления». В 1960-е годы начал развиваться другой подход в теории управления — пространство состояний, что последовало за публикацией работ Винера, Калмана и других по оптимальному управлению.

Эти работы позволили подойти в задачам со многими переменными единообразно, что было трудно, если не невозможно, в классической структуре. Такие приемы широко называются «Соврел«енной теорией управления». К 1980-м юдам эти различные подходы к управлению достигли сложного уровня и выразительности и переключились на другие примыкающие проблемы, включая влияние ошибки модели на работу регуляторов обратной связи. Это можно классифицировать как период «Робастной теории управления». Параллельно этому велась серьезная работа по задачам нелинейного управления.

Это обусловлено тем, что многие задачи реальных систем управления включаюг нелинейные эффекты. 30 Глава 1. Причины создания систем управления Есть и другие многочисленные достижения, включая адаптивное управление, автонастройку и интеллектуальное управление. Они слишком многочисленны, чтобы их здесь детализировать.

Так или иначе, наша цель состоит не в том, чтобы привести всестороннюю историю, а просто дать почувствовать эволюцию в этой области. Ко времени написания этой книги теория управления стала зрелой дисциплиной. Таким образом, теорию управления можно трактовать как дисциплину, которая учитывает многие различные точки зрения и объединяет их в общей структуре. Это — подход, который мы здесь возьмем на вооружение. 1.4. Виды проектирования систем управления Проектирование систем управления обычно требует циклической работы, в которой повторяются моделирование, проектирование, имитация, испытание и реализация.

Оно может выполняться несколькими различными видами, каждый из которых требует своего подхода. Один из факторов, от которого зависит выбор вида, — является ли назначение системы в основном коммерческим. Примеры, где дело обстоит не так, включают исследования, образование и задачи типа посадки первого человека на Луну. Хотя стоимость рассматривается всегда, эти виды проектов систем управления главным образом диктуются техническими, педагогическими соображениями, надежностью и безопасностью. С другой стороны, если проект системы управления определяется коммерческими соображениями, каждый из них опять-таки может отличаться от других в зависимости от того, является ли регулятор компонентом большого коммерческого изделия (типа регулятора скорости или регулятора отклонения в автомобиле) или это часть производственного процесса (типа регулятора перемещения в роботах, собирающих автомобиль).

В первом случае нужно учесть стоимость включения регулятора в каждое изделие; это обычно означает, что желательно иметь меньшую стоимость всего изделия и, следовательно, желательно использовать довольно простые регуляторы. Во втором случае обычно можно позволить себе значительно более сложные регуляторы, при условии, что они улучшают производственный процесс таким образом, что значительно увеличивают объем произведенной продукции.

Во всех этих ситуациях инженер по системам управления имеет с ними дело на всем их жизненном цикле: ° начальное проектирование «с чистого листа»; ° ввод в действие и настройка; 1.4. Виды проектирования систем управления 31 ° улучшение и модернизация; ° экспертные исследования. 1.4.1. Начальное проектирование «с чистого листа» На этой стадии перед инженером по системам управления — «нетронутое поле» или так называемый проект «с чистого листа»; таким образом, проектировщик может начинать работу над системой с начала. Это дает уверенность, что при проектировании всей системы можно учесть последующие варианты системы управления.

Довольно часто системы и объекты проектируются на основе одних и тех же установившихся соображений. Следовательно, неудивительно, что далее могут появиться эксплуатационные трудности. Мы считаем, что инженеры по системам управления должны непременно входить во все коллективы проектировщиков. Инженер по системам управления должен работать с техническими требованиями проекта и гарантировать, что будут рассмотрены динамические и статические проблемы. 1.4.2. Ввод в действие и настройка Как только базовая архитектура системы управления сформирована, задачей инженера по системам управления становится настройка системы, чтобы обеспечить требуемые эксплуатационные характеристики настолько полно, насколько возможно.

Эта стадия требует глубокого понимания принципов обратной связи, чтобы гарантировать, что настройка системы управления выполнена целесообразным, безопасным и удовлетворительным способом. 1.4.3. Улучшение и модернизация Когда система создана и введена в эксплуатацию, работа инженера по системам управления заключается в ее обслуживании и усовершенствовании. Поводы для усовершенствования могут прийти из многих направлений. Они включают следующее: ° внутренние причины — например, возможность с помощью новых 'датчиков или исполнительных механизмов улучшить работу; ° внешние причины — например, рыночные давления или новое законодательство по экологии могут требовать улучшения работы системы управления.

32 Глава 1. Причины создания систем управления 1.4.4. Экспертные исследования эксперптные исследования часто играют роль технических консультаций по системе управления. Здесь цель состоит в том, чтобы предложить корректирующие действия, которые исправят рассматриваемую проблему управления. В этих исследованиях важно, чтобы инженер по системам управлении получил целостное представление, ибо успешное управление обычно зависит от удовлетворительной работы многих взаимосвязанных компонентов. По нашему опыту, плохая работа системы управления обычно связана с основными недостатками проекта объекта, плохими исполнительными механизмами, неадекватными датчиками или проблемами компьютера, либо результатом плохой настройки системы управления. Однако все эти проблемы могут и должны быть в поле деятельности инженера по системам управления.

Действительно, часто только инженер по системам управления имеет необходимые навыки, чтобы успешно решить эти сложные проблемы. 1.5. Организация систем управления Как видно из предыдущего рассмотрения, успех в разработке системы управления зависит от целостного взгляда на нее. Проблемы, присущие типичной системе управления, включают в себя: ° объект, т. е. процесс, которым нужно управлять; ° цели управления; ° датчики; ° исполнительные механизмы; ° линии связи; ° вычисления; ° структуры и интерфейс; ° алгоритмы; ° анализ возмущений и неточностей. Эти проблемы кратко рассмотрены ниже. 1.5.1. Объект Как упоминалось в равд.

1.4.1, физическая природа объекта — существенный момент задач управления. Таким образом, разработчик системы управления должен быть знаком с физикой изучаемых процессов. Это включает начальные знания об основном энергетическом балансе, балансе масс и материальных потоках в системе. Физические размеры 1.5. Организация систем управления 33 оборудования и то, как они связаны с эксплуатационными характеристиками, также должны быть понятны. В частности, мы рекомендуем создать сптрвкглуру физических моделей, как первый шаг в проектировании и обеспечении систем управления.

Эти модели будут затем уточняться при изменении одной из них. 1.5.2. Цели управления Прежде чем разрабатывать датчики, исполнительные механизмы или структуру системы управления, важно знать ее назначение, т. е. сформулировать цели управления, что включает следующее: ° что нужно достичь (уменьшение энергетических затрат, увеличение производительности и т. д.); ° какими переменными следует управлять, чтобы достичь этих целей управления; ° какой необходим уровень действий (точность, скорость и т.

д.). 1.5.3. Датчики Датчики являются глазами системы управления, позволяющими вттдеть, что происходит в ней. Существует утверждение, которое иногда говорится относительно управления: если вм можете ттзмерипть чтпо-то, пто вти можетпе им рправллтпь. Это, очевидно, упрощенное утверждение и его не следует понимать буквально. Тем не менее, эта броская фраза говорит о том, что организация соответствующих измерений является необходимой важной частью всей задачи управления.

Кроме того, новые технологии датчиков часто открывают возможности создания систем управления с улучшенными характеристиками. С другой стороны, в тех случаях, когда особенно важные измерения недоступны, то часто можно получить эти жизненно важные части информации из других данных. Это ведет к идее гибкого или виртуального датчика. Мы увидим, что это — один из наиболее мощных методов в запасе средсптв инженера по системам управления. ° 1.5.4.

Исполнительные механизмы Если датчики используются только для определения состояния процесса, то возникает задача так воздействовать на систему, чтобы перевести процесс из текущего состояния в желаемое. Таким образом, мы видим, что исполнение действий в системе — другой характерный элемент в ряду задач управления. Возможность использования новых усовершенствованных исполнительных механизмов также часто позволяет суще- 2 — 1782 34 Глава 1. Причины создания систем управления Рис. 1.3.

Типичная система управления толщиной полосы прокатного стана ственно улучшить работу. Наоборот, не удовлетворяющие заданным требованиям и неудовлетворительные исполнительные механизмы часто являются причиной трудностей управления. Обычно промышленная система управления содержит много исполнительных механизмов — см., например, систему управления толщиной полосы на рис. 1.3.

Характеристики

Список файлов книги