Г.К. Гудвин - Проектирование систем управления (1054010), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Однако мы увидим, что при удачном проекте системы управления может быть достигнута поразительная нечувствительность к внешним возмущениям. Другая проблема — неточность модели. Все реальные системы имеют очень сложные модели, однако важным свойством систем управления с обратной связью является то, что часто можно получить желаемый результат, используя относительно простые модели. Конечно, именно проектировщик должен оценить влияние неточности модели на работу системы управления и решить, приведет ли лучшее моделирование к достижению лучшего результата.
Решение обеих из вышеупомянутых проблем обеспечивается, в частности, замечательными свойствами обратной связи. К этой концепции мы будем в книге обращаться неоднократно. 1.5. Организация систем управления 39 1.5.10. Однородность Заключительный момент нашего рассмотрения — это то, что все связанные системы, включая системы управления, являются столь же хорошими, как их самый слабый элемент.
Это означает, что при проектировании систем управления нужно стремиться, чтобы все компоненты (объект, датчики, исполнительные механизмы, линии связи, вычислительные средства, интерфейсы, алгоритмы и т. д.) имели сопоставимые точность и эксплуатационные параметры. Если это невозможно, то нужно сосредоточиться на самом слабом компоненте, чтобы получить лучший возврат данного уровня инвестиций. Например, нет никакого смысла сосредоточить все внимание на разработке линейной модели (чтобы проще использовать современную теорию управления), если ограничивающий фактор — это застревающий клапан, который следует заменить или разработать виртуальный датчик для важного неизмеряемого параметра.
Таким образом, требуется целостная точка зрения, связанная с точной оценкой затрат, связанных с каждым компонентом. 1.5.11. Стоимостной анализ Если мы пытаемся обеспечить лучшую эффективность затраченных усилий, важно заняться анализом выгод. Разработка систем управления, так же, как и другие формы разработки, зависит от способности убедить руководство, что в данном проекте можно произвести выгодные изменения.
Период окупаемости в современных отраслях промышленности часто не более 6 месяцев, поэтому данный аспект требует осторожного и детального подхода. Стандартными здесь являются следующие шаги: ° оценка диапазона возможных видов управления; ° разработка краткого списка для более пристального изучения; ° выбор проекта с высоким экономическим или экологическим эффектом; ° консультации с соответствующим персоналом (управление, операторы, производственный штат, штат обслуживания и т. д.); ° определение ключевых действий; ° сбор основных данных для дальнейшего сравнения; ° решение о пересмотре эксплуатационных характеристик; е обновление исполнительных механизмов, датчиков и т. д.; ° разработка алгоритмов; ° проверка алгоритмов с помощью моделирования; ° проверка алгоритмов на объекте, используя быструю систему макетирования; ° сбор предварительных данных о работе системы для сравнения с исходным вариантом; ° окончательная реализация; ° сбор окончательных данных о работе системы; ° заключительные выводы о проекте.
1.6. Резюме ° Разработка систем управления присутствует фактически во всех современных технических системах. ° Управление — часто скрытая технология, поскольку его полная эффективность в большой мере зависит от точки зрения. ° Управление — средство, позволяющее технологическому процессу о улучшить качество изделий, о минимизировать потери и вложения, о обеспечить защиту окружающей среды, о увеличить производительность для установленных мощностей, о увеличить производство продукции, о отсрочить дорогостоящую модернизацию объекта и о обеспечить более высокие запасы безопасности. ° Примеры управляемых систем включают следующее: Управляемые выходы Желаемое поведение Система Регулятор Самолет Курс, тангаж, крен, рысканье Автопилот Подцержание курса полета на гладкой и безопасной траектории Топка Температура Регулятор температуры Очистка сточных вод Значение рН выходного потока Регулятор рН Нейтрализация потока до заданного уровня Регулятор скорости Автомобиль Скорость 40 Глава 1.
Причины создания систем управления Изменение температуры по заданному профилю, затем подцержание температуры Достижение, а затем подцержание выбранной скорости без излишнего потребления топлива 1.6. Резюме 41 Управление — мультидисциплинарный предмет, который включает о датчики, о исполнительные механизмы, о линии связи, о вычисления, о структуру и интерфейс и о алгоритмы. Цель разработки системы управления — достичь желаемого уровня качества на фоне возмущений и неточностей. Примеры возмущений и неточностей включают следующее: Исполнительные механизмы Источник неточности Система Возмущения Датчики Самолет Навига- ционные инструмен- ты Ветер, воздушные ямы и т.д. Вес, точная аэродинамика и т. д.
Термопары, датчики температу- ры Топка Привод клапана топки Темпера- тура по- ступающих веществ и т. д. Очистка сточных вод Концен- трация входного потока Привод клапана контроля кислоты Датчик РН Амплитудная характе- ристика РН, ошибки измерения Автомобиль Позицио- нирование дросселя Холмы Вес, точная динамика Тахометр Двигатель УпРавления дроссельной заслонкой, рулевой привод, приводы закрылков и т.д. Точная термоди- намика, распре- деление температу- ры 42 Глава !.
Причины создания систем управления 1.7. Литература для последующего чтения Исторические заметки Исторический центр 1ЕЕЕ и его ресурсы — прекрасный источник для читателей, интересующихся историей. Другие полезные источники: 1. В1ас1с, Н.Ж. (1934). Вса1411вес( Реет!Ьас1с Агар!!6егв.
Ве!1 Яув!ептв ТесЬ. ч"оигпа1, 13:1-18. 2. Вес!е, Н. (1969). РеедЬас1с: гЬе Ьйввогу о! ап Ыеа. 1п Яе!ес!ес! Рарегв оп Ма!Ьепта!!са! 7Ьепс!в !п Соп!го! ТЬеогу, ра8ев 106-123. Рочег, )с!етч "гог!с. 3. Рп!1ег, А. (1976). ТЬе еаг1у с(ече!оргаепв о! соп!го! 1Ьеогу. 7Ьапв. АЯМВ, Х Руп.
Яув. Меав. Соп!г., 98:109-П8, 224-235. 4. 3агпев, Н.М., %сЬо1в, ]с!.В., апс! Р)911!рв, К.Б., ес(!вогв (1947). ТЬеогу оу' ЯегвопсесЬап!впсв. МсСгатч-Н!11, !с1ечс "гог1с. [Имеется русский перевод: Х. Джеймс, Н. Никольс, Р. Филлипс.
Теория следящих систем. — Мс ИЛ. 1951 (1-е пзд.), 1953 (2-е изд.)] 5. Махчсе!1, Т. (1868). Оп 8очегпогв. Ргос. Коуа! Яас. 5опс!оп, 16:270-283. 6. Мауг, О. (1970). ТЬе Ог!дпи оу' Реес!ЬасЬ Соп!Го1. М1Т Ргевв, СагпЬгЫйе, Мала Глава 2 Введение в принципы обратной связи 2.1. Введение Эта глава прокладывает дорожку, которую мы выбрали для нашего путешествия в проектирование систем управления.
В частности, она содержит ° поясняющий технический пример, ° формулировку фундаментальной природы задачи управления, ° понятие инверсии (обратного преобразования) как центрального ком- понента в решении задач управления и ° переход от инверсии для системы с разомкнутым контуром обратной связи к решению задачи для системы с замкнутой обратной связью. 2.2. Основная цель управления Как мы видели в гл. 1, примеры динамических систем с автоматическими регуляторами имеются в большом количестве: современные регуляторы процессов работают фактически в каждой промышленной области; микрорегуляторы проникают в огромное множество электронных устройств домашнего хозяйства и развлечений; термостаты регулируют температуру в домашних и промышленных жарочных шкафах, а автопилоты управляют самолетами.
Проектирование любой из этих систем требует тесного сотрудничества специалистов различных дисциплин. Чтобы конкретизировать основную цель разработки систем управления в рамках усилий этого коллектива, полезно различать материальную реализацию системы и ее поведение. Физическая реализация самолета, например, включает фюзеляж, крылья и элероны.
Его поведение, 44 Глава 2. Введение в принципы обратной связи с другой стороны, имеет дело с динамической реакцией на изменения положения сектора газа, элеронов или закрылков. Для управления такой системой автоматически, нужно, чтобы система взаимодействовала с регулятором, который, в свою очередь, также имеет физическую реализацию и поведение. В зависимости от назначения, регулятор может быть реализован в чипе, аналоговом электронном устройстве, программируемом логическом контроллере или компьютере. Должен также быть канал, по которому регулятор и система могут взаимодействовать через датчики и исполнительные механизмы: датчики— чтобы сообщить о состоянии системы, исполнительные механизмы — как средства воздействия регулятора на систему.
Процесс и инфраструктура системы управления оставляют, однако, открытым вопрос о поведении регулятора. Применительно к самолету, например, если регулятор (здесь он называется автопилотом) обнаруживает отклонение в скорости, высоте или курсе через датчики, то как выдать команду на дроссель и элероны, чтобы вернуться к исходным параметрам? Это †основн забота инженера по системам управления, или, говоря в общепринятых терминах, фундаментальная цель разработки системы управления — найти технически, экологически и экономически осуществимые пути воздействия на системы, чтобы управлять их выходными параметрами для достижения желаемых значений, обеспечивая таким образом желаемый уровень функционирования.
Как говорилось ранее, поиск удачного решения этого вопроса часто требует включения в процесс проектирования выбора исполнительных механизмов и датчиков, математического анализа и моделирования. На примере описанной выше навигационной системьг самолета можно сказать, что инженер по системам управления имеет дело, в частности, с циклической зависимостью: команды автопилота воздействуют на самолет, у которого изменяются скорость, высота и курс, которые в свою очередь влияют на дальнейшие действия автопилота.
Такое циклически зависимое взаимодействие отдельных частей системы называется обратпиой связью. Явление обратной связи существует и в природе, и в технике. Периодические прирост и сокращение популяции в известных взаимодействиях «хищник и добыча» являются примером обратной связи, встречающейся в природе. Высокий свистящий звук, появляющийся в результате взаимодействия микрофонов и громкоговорителей в концертном запев технический пример обратной связи. В обоих этих случаях, ни одна из двух взаимодействующих систем не может быть определенно названа диспетчером или процессом, они просто являются двумя системами, взаимодействующими на основе 2.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
