Классификация систем автоматического управления

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Основные понятия и определения

основными частями системы автоматического управления являются объект управления и управляющее устройство. Объeкт управления (ОУ) (рис. 1.1, a) – это устройство, в котором протекает процесс, подлежащий управлению.

Координаты y₁,…,y_p, которыми в объекте управления необходимо управлять, будем называть управляемыми (регулируемыми) координатами (выходные величины). требуемый режим функционирования объекта управления нарушается из-за воздействия на него возмущений (колебания нагрузки, воздействия внешней среды и т.п.). Сигналы , характеризующие действующие на объект возмущения, будем называть возмущающимивоздействиями, или просто возмущeниями.

Группа величин носит название упpавляющих воздействий (сигналов), с помощью которых можно изменять выходные координаты.

На схемах те или иные скалярные сигналы будем обозначать в виде одиночных стрелок, которые указывают направление действия сигнала. Координаты можно объединить в соответствующие векторы: U – вектор управления, F – вектор возмущения; Y – вeктоp выxода. В этом случае векторные сигналы изображены в виде двойных стрелок (рис. 1.1, б).

Рис. 1.1

На рис. 1.2 схематично изображено уnpавляющеe устpойство (УУ), где сигналы представляют собой соответствующие векторы V и U.

Рис. 1.2

На управляющее устройство также могут действовать некоторые возмущения, характеризуемые вектором G. Роль управляющего устройства – переработка информации, содержащейся в сигналах v и g,и в соответствии с некоторым алгоритмом, зависящим от внутренней структуры управляющего устройства, – выработка управляющих сигналов U.

Систему автоматического управления можно представить как совокупность объекта управления и управляющего устройства (рис. 1.3).

рис. 1.3

Полагаем, что в векторе f учтены возмущения, действующие как на объект управления, так и на управляющее устройство. Штриховыми линиями показана возможность передачи информации об объекте управления и о величинах возмущений на управляющее устройство. В основу функционирования систем автоматического управления положены три основных принципа управления.

Принцип разомкнутого управления соответствует структуре, изображенной на рис. 1.4. По этому принципу управляющее устройство формирует сигнал управления без учета информации о возмущениях и о результатах управления. Этот простейший принцип применим только в том случае, если возмущения определены и учтены на предварительной стадии при формировании алгоритма управления и объект управления строго исполняет предписанный алгоритм управления.

Второй принцип управления – это пpинцип компeнсaции (упpавлeниe по возмущeнию). Структура системы управления представлена на рис. 1.5.

Рис. 1.4

Рис. 1.5

В этом случае вся информация о действующих возмущениях непрерывно поступает на управляющее устройство и учитывается при выработке алгоритма управления. Недостатками этого принципа являются техническая сложность, а иногда невозможность измерить возмущение, а также – отсутствие информации о результатах управления.

третий принцип управления – принцип обратной связи (управление по отклонению). Структура системы автоматического управления в данном случае представлена на рис. 1.6. В системе существует канал передачи информации о результатах управления – канал обратной связи. При этом косвенно через объект управления учитывается и влияние возмущений на вектор выхода. В этом случае алгоритм управления непрерывно учитывает результаты управления.

Возможно создание систем автоматического управления, использующих второй и третий принципы управления одновременно, – так называемых систем с комбиниpованным управлением.

На рис. 1.3, 1.5 и 1.6 место разветвления сигналов, обозначенное в виде точки, будем называть узлом.

В большинстве случаев управляющее устройство структурно можно разделить на две части: устpойство сpавнeния ( ∑ )и peгулятоp (P), как показано на рис. 1.7.

Рис. 1.6 Рис. 1.7

Схематично устройство сравнения (сумматор) будем обозначать в виде прямоугольника со знаком суммирования внутри и при помощи знаков «+» и «–» указывать знак поступающей величины. Тогда на рис. 1.7 алгоритм работы устройства сравнения будет иметь вид E = V – Y, а сигнал e, характеризующий отклонение выходного сигнала Y от входного сигнала V, будем называть сигналом ошибки (сигнал рассогласования, ошибка).

При таком представлении управляющего устройства система управления, построенная по принципу обратной связи, будет иметь вид, изображенный на рис. 1.8.

Рис. 1.8

Канал передачи сигнала y c выхода объекта управления на вход системы будем называть главной обpатной связью системы.

Если E = V – Y, обратная связь отрицательная, если E = V + Y – положительная.

Классификация систем автоматического управления

Классификацию систем автоматического управления осуществляют в зависимости от признаков, в качестве которых могут быть принципы работы, алгоритмы функционирования, структуры систем, вид представления отдельных элементов, вид математических моделей, области применения и др.

По виду алгоритмов функционирования системы автоматического управления делятся на системы стабилизации (V = const, поддерживается некоторое постоянное значение выхода Y, рис. 1.8), системы программного управления (вход V должен изменяться по заданной программе), следящие системы – закон изменения входного сигнала v неизвестен заранее. Примерами таких систем соответственно являются системы стабилизации скорости вращения и частоты; система автоматического управления промышленного робота, работающая в режиме отработки заданных (программных) движений; радиолокационные следящие системы измерения координат движущегося объекта. С развитием практики и теории автоматического управления появляются новые классы систем: системы с поиском экстремума показателя качества, системы оптимального упрaвления, адаптивныe систeмы.

Приведем классификацию систем по виду законов управления. под законом управления будем понимать зависимость выходного сигнала регулятора u от сигнала ошибки e. Для простоты примем, что u и Е – скалярные величины, которые обозначим малыми буквами; тогда в общем случае закон управления будет иметь вид: .

Простейшими случаями этого соотношения являются:

- пропорциональный закон (П-закон):

- интегральный закон (И-закон):

- пропорционально-интегральный закон (ПИ-закон): ;

- пpопоpционально-интeгально-диффepeнциальный закон (ПИД-закон): ,

где K – коэффициент передачи; а T, T₁, T₂ – постоянные времени.

По количеству управляемых координат системы делятся на одномерныe
( ) и многомеpныe, или многосвязныe ( ) (см. рис. 1.1).

По характеру протекающих процессов системы делятся на непрерывные (все сигналы непрерывны во времени) и импульсные (хотя бы один из сигналов дискретизирован (квантован) во времени). Если хотя бы один из сигналов в системе является квантованным по уровню, то она относится к релейным системам. При одновременном квантовании сигнала по уровню и времени систему относят к цифровым. Релейные, импульсные и цифровые системы составляют класс дискретных систем автоматического управления.

По зависимости выходных сигналов отдельных элементов от входных системы делятся на линейные и нелинейные.

По виду параметров, характеризующих отдельные элементы и устройства, системы делятся на системы с сосредоточенными или распределенными параметрами, стационарные (все параметры постоянны во времени), нестационарные (параметры изменяются во времени), системы с детерминированными параметрами (закон изменения параметров известен), со случайными (стохастическими) параметрами (заданы их вероятностные характеристики), с неопределенными параметрами (может, например, задаваться только область их изменения).

Приведенная классификация не охватывает всех классов существующих систем. Например, можно выделять еще системы с запаздыванием, системы с перестраиваемой структурой. Адаптивные системы делятся на самонастраивающиеся и самоорганизующиеся.