Основные принципы регулирования.

Одна из основных задач построения автоматических систем состоит в том, чтобы решить, каким образом при помощи простейших технических средств получить и передать тот объем информации, который необходим для достижения цели управления.

Несмотря на существенное разнообразие технических процессов, построение аппаратуры управления и автоматических систем основывается на ряде общих принципов управления, основные из которых следующие: принцип управления по отклонению, принцип управления по возмущению, принцип комбинированно­го управления и принцип адаптации.

Принцип автоматического управления определяет, как и на основе какой информации формировать управляющее воздействие в системе. Одним из ос­новных признаков, характеризующих принцип управления, является требуе­мая для выработки управляющего воздействия рабочая информация, а следова­тельно, и конфигурация цепей передачи воздействий в системе. Выбор принципа построения автоматической системы зависит от ее назначения, характера изме­нения задающего и возмущающих воздействий, возможностей получения необ­ходимой рабочей информации, стабильности параметров управляемого объекта и элементов управляющего устройства и т. п.

Принцип управления по отклонению. Если в автоматической системе управ­ляющее воздействие вырабатывается на основе информации об отклонении управляемой величины от требуемого значения, то говорят, что система построе­на на основе принципа управления по отклонению, или принципа обратной связи. Для реализации этого принципа в управляющем устройстве необходимо осуществлять сравнение действительного значения управляемой величины с требуемым (предписанным) значением и управлять объектом в зависимости от результатов этого сравнения.

На рис. 3 изображена блок-схема автоматической системы с обратной связью. Управляющее воздействие и в этой системе выраба­тывается в зависимости от значений функции отклонения — функции разности A* (t) между требуемым х_вх (t) и действительным x_BMK(t) значениями управляе­мой величины:

и = F(Ax).

Связь между отклонением и управляющим воздействием устанавливается не­которым оператором W₁ характеризующим свойства управляющего устройства. Динамические свойства управляемого объекта можно описать оператором W₂, устанавливающим связь между управляемой величиной и управляющим воз­действием.

Таким образом, характерной чертой автоматических систем, построенных на основе принципа управления по отклонению, является наличие обратной связи.

Обратная связь — это такая связь, по которой информация о состоянии управляемого объекта (контрольное воздействие, соответствующее действитель­ному значению управляемой величины)передается с выхода системы на вход управ­ляющего устройства. Обратную связь называют отрицательной, если по ней

Принцип управления по отклонению является универсальным и эффектив­ным, поскольку он позволяет управлять неустойчивыми объектами, а также осуществлять требуемый закон изменения управляемой величины с допустимо малым отклонением (ошибкой) независимо от того, какими причинами послед­нее вызвано. Так, например, влияние возмущающего воздействия f(t) в систе­ме (рис. 3) можно значительно ослабить без непосредственного его измерения благодаря свойствам обратной связи.

Принцип управления по возмущению. Принцип управления по возмущению, или принцип компенсации возмущений, состоит в том, что управляющее воз­действие в системе вырабатывается в зависимости от результатов измерения воз­мущения, действующего на объект. Системы, построенные по этому принципу, работают по разомкнутой цепи, т. е. не имеют обратной связи. Системы с ра­зомкнутой цепью воздействий разделяют на две группы: системы компенсации и системы программного управления.

В системе компенсации (рис. 7, а) на управляемый объект (УО) воздействует координатное возмущение f_K (t), изменяющее регулируемую величину л:_ВЫх (0-Это возмущение измеряется специальным устройством У₁. Полученный сигнал усиливается и преобразуется, если это необходимо, в другой части автомати­ческого управляющего устройства (АУУ) — У₂. Следовательно, управ­ляющее воздействие является функ­цией возмущающего воздействия:

" = /^?(/к).

Величина и знак управляющего воз­действия должны быть такими, чтобы полностью или в значительной степени компенсировать влияние возмущаю­щего воздействия на объект.

Таким образом, автоматическими системами с разомкнутой цепью воз­действий называются системы, в кото­рых управляющее воздействие выраба­тывается в функции задающего или возмущающего воздействия, а в общем случае —в функции обоих воздействий одновременно:

и = F (х_вх, /_к).

В настоящее время принцип управ­ления по возмущению широко приме­няется, потому что он позволяет уменьшить погрешности автоматиче­ских систем, вызываемые как задаю­щими, так и возмущающими воздейст­виями. Его основное достоинство — высокое быстродействие цепей ком­пенсации, так как система реагирует непосредственно на причину, а не на следствие. Однако этот принцип имеет недостатки. Основной из них — изби­рательность: не всегда возможно изме­рить и учесть все возмущения. Обычно учитывается действие лишь одного или нескольких наиболее существенных возмущений, которые измеряются управляющим устройством.

Системы программного управления (рис. 7, б) также распространены в тех­нике. К ним относятся, например, станки с программным управлением. В этих системах программа хранится в запоминающих устройствах и в цифровом виде поступает на исполнительные устройства, обеспечивая определенный закон изменения управляемой величины. Следовательно, разомкнутыми системами программного управления называют­ся такие системы, в которых управляющее воздействие вырабатывается в функ­ции задающего воздействия (программы). При этом в большинстве случаев воз­никает необходимость в применении принципа компенсации возмущений.

Принцип комбинированного управления. Современные автоматические си­стемы высокой точности обычно строят на основе принципа комбинированного управления, сочетающего в себе прин­ципы управления по отклонению и по возмущению. При этом в автоматиче­ских системах комбинированного управления наряду с замкнутыми кон­турами, образуемыми отрицательными обратными связями, имеются цепи ком­пенсации основного возмущающего воздействия /_к (рис. 8, а) или дополни­тельная цепь компенсации ошибок от задающего воздействия х_вх (рис. 8, б).

Рис. 8. Блок-схемы систем комбинированного управления

с компенсацией возмущающего воздействия (а)

и с цепью компенсации оши­бок от задающего воздействия (б):

У_е — управляющее устройство по возмущению.

В первом случае управляющее воздействие и = F (Ах, f_K), а во втором = F (Ах, х_вх). Действие неучтенных возмущений в комбинированных системах компенсируется или ослабляется контуром управления по отклонению.

Принцип адаптации. Рассмотренные принципы автоматического управле­ния долгое время были единственными. Однако успешное развитие кибер­нетики позволило применить в автома­тических системах новый принцип управления, называемый принципом адаптации (приспособления). Отличитель­ные особенности этого принципа поясним на примере самонастраивающейся автоматической системы (рис. 10), которая состоит из основной системы и допол­нительных устройств.

Рис. 10.Блок-схема самонастраивающейся ав­томатической системы.

Основная система построена согласно принципу управления по отклонению и включает управляемый объект (УО) и автоматическое управляющее устрой­ство (АУУ).

На ее вход вместе с полезным сигналом х_вх (t) поступает помеха п (t). Спектральные плотности этих функций могут изменяться в процессе работы системы. Кроме координатного возмущения /_к (t), на УО действует параметриче­ское возмущение /_п (t), при этом динамические характеристики управляемого объекта изменяются в широких пределах. В таких сложных условиях работы система должна обладать способностью настройки своего основного управляю­щего устройства (АУУ).

Для достижения требуемых показателей качества процесса управления к основной системе подключены следующие дополнительные устройства, образую­щие контур самонастройки:

устройство анализа входного сигнала (УАС)—оцени­вает свойства входного сигнала, например скорость и ускорение изменения за­дающего воздействия x_BX(t), а также определяет спектральную плотность по­мехи п (t) или отношение сигнал/шум. Такой анализ необходим для выбора критерия оптимальности системы;

устройство анализа объекта (У АО) — предназначено для оценки изменений динамических характеристик управляемого объекта. Если, например, под воздействием параметрического возмущения /_п (г) коэффициент передачи объекта изменяется, то это изменение можно оценить количественно на основе анализа функций и (f) и х_вых (t);

вычислительное устройство (ВУ)— определяет способ из­менения характеристик основного управляющего устройства (параметров, структуры или закона управления) на основе заложенных в нем критериев оптимальности системы и информации, получаемой от устройств анализа сигнала и объекта;

исполнительное устройство контура самона­стройки (ИУ)—выполняет функцию настройки управляющего устройства • в соответствии с сигналами, получаемыми от вычислительного устройства. Воздействие самонастройки V является функцией многих переменных:

V —F (х_ВХу Хвых> ^»н, t, . . .).

Таким образом, работу контура самонастройки можно представить как процесс автоматической настройки управляющего устройства основной систе­мы по совокупности текущей информации об изменяющихся условиях работы для достижения поставленной цели управления.