Методическое пособие 703

Системы стабилизации обеспечивают неизменное значение управляемой величины при всех видах возмущений, т.е. y(t) = const. В устройстве управления формируется эталонный сигнал, с которым сравнивается выходная величина. УУ, как правило, допускает настройку эталонного сигнала, что позволяет менять по желанию значение выходной величины.

1.3.2. Программные системы

Если движок потенциометра (рис. 1.5) перемещается по программе, например, с помощью кулачкового механизма и снимаемое с него напряжение является заданной функцией времени, то такая система представляет систему программного регулирования.

Программные системы обеспечивают изменение управляемой величины в соответствии с программой, задаваемой на входе УУ или формируемой ЗУ. К этому виду систем можно отнести магнитофоны, проигрыватели, станки с ЧПУ, и т.п. Различают системы с временной программой, обеспечивающие y = f(t), и системы с пространственной программой, в которых y = f(x), применяемые там, где на выходе систем важно получить требуемую траекторию в пространстве, например, в автомате сверления отверстий в печатных платах.

1.3.3. Следящие системы

Если движок потенциометра (рис. 1.5) перемещается по заранее неизвестному закону, например, в соответствии с показаниями какого-либо измерительного прибора, и угловая скорость электродвигателя должна находиться в определенной функциональной зависимости от положения движка, то система является следящей системой.

Следящие системы отличаются от программных лишь тем,

21

что программа y = f(t) или y = f(x) заранее неизвестна. В качестве УУ выступает устройство, следящее за изменением какого-либо внешнего параметра. Эти изменения и будут определять изменения выходной величины y(t).

Все три рассмотренных вида систем могут быть построены по любому из трех принципов управления (разомкнутого управления, компенсации, обратной связи). Для них характерно требование совпадения выходной величины (состояния системы) с некоторым предписанным значением, которое в любой момент времени определено однозначно.

1.3.4. Самонастраивающиеся системы

Самонастраивающиеся системы отличаются активным УУ, определяющим такое значение управляемой величины, которое в каком-то смысле является оптимальным.

Так, в экстремальных системах требуется, чтобы выходная величина всегда принимала экстремальное значение из всех возможных, которое заранее не определено и может изменяться. Для его поиска система выполняет небольшие пробные движения и анализирует реакцию выходной величины на эти пробы, после чего вырабатывается управляющее воздействие, приближающее выходную величину к экстремальному значению. Процесс идет непрерывно и выполняется только с использованием обратной связи.

Оптимальные системы являются более сложным вариантом экстремальных систем. Здесь происходит, как правило, сложная обработка информации о характере изменения выходных величин и возмущений, о характере влияния управляющих воздействий на выходные величины, может быть задействована теоретическая информация, информация эвристического характера и т.п. Поэтому основным отличием экстремальных систем является наличие

22

ЭВМ. Эти системы могут работать в соответствии с любым из трех фундаментальных принципов управления.

В адаптивных системах предусмотрена возможность автоматической перенастройки параметров или изменения принципиальной схемы систем управления с целью приспособления к изменяющимся внешним условиям. В соответствии с этим различают самонастраивающиеся и самоорганизующиеся адаптивные системы.

На рис. 1.10 приведена типовая функциональная схема САР с одной регулируемой величиной х (t)).

Рис. 1.10. Типовая функциональная схема САР и основные устройства, входящие в ее состав

Она состоит из объекта регулирования и автоматического регулятора. Объект регулирования — основной элемент системы регулирования, т. е. машина или установка, заданный режим работы которых должен поддерживаться регулятором при помощи регулирующих органов.

Устройства и элементы, входящие в регулятор, по своему функциональному признаку (по назначению) могут быть классифицированы следующим образом:

Задающее устройство 1 преобразует управляющее воздействие g (t) в управляющий сигнал, пропорциональный

23

заданному значению регулируемой величины и удобный для сравнения с регулируемой величиной х(t); задающими устройствами могут быть пружины, калиброванные сопротивления, уровни и т. п. Программные устройства используют в системах программного регулирования, где заданное значение регулируемой величины должно изменяться по определенному закону. В сложных современных системах выработка заданной функции осуществляется счетнорешающими или вычислительными устройствами, которые называют программирующими устройствами.

Сравнивающее устройство 2 на основании сравнения управляющего сигнала и сигнала главной обратной связи вырабатывает сигнал ошибки ε (t). Устройства сравнения предназначены для измерения отклонений регулируемых величин от заданных значений. Они могут представлять собой арифметическое устройство, которое осуществляет вычитание из измеренного чувствительным элементом значения регулируемой величины другой величины, принятой в регуляторе за опорную заданную величину.

Преобразующие устройства 3 преобразуют одну физическую величину в другую, более удобную для использования в процессе регулирования, не выполняя при этом функций измерения, усиления или коррекции.

Корректирующие устройства 4 и 8 повышают устойчивость и улучшают динамические свойства системы регулирования. В зависимости от способов включения корректирующие устройства подразделяют на последовательные и параллельные. С помощью последовательных корректирующих устройств преобразуется сигнал ошибки и в закон регулирования вводятся воздействия по производным и интегралам регулируемых величин по времени. Параллельные корректирующие устройства (местные обратные связи) осуществляют подачу сигнала с выхода элемента на вход одного из предыдущих.

Вспомогательное сравнивающее устройство 5

24

сопоставляет сигнал в промежуточной точке прямой цепи с сигналом местной обратной связи.

Усилительное устройство 6 предназначено для усиления мощности сигналов в регуляторах. Оно управляет энергией, которая поступает от постороннего источника энергии. Применяют электронные и электромагнитные усилители,

гидравлические золотники, пневматические усилители и т. д. Исполнительное устройство 7 вырабатывает регулирующее воздействие г(t), непосредственно прикладываемое к объекту управления и оказывающее воздействие на регулирующий орган. Исполнительные устройства, осуществляющие механическое перемещение регулирующего органа, называют

исполнительными двигателями, или сервомоторами.

Чувствительные, или измерительные элементы 9

предназначены для преобразования регулируемых величин или возмущающих воздействий в сигналы управления, удобные для дальнейшего использования в процессе регулирования. Чаще всего значения регулируемых величин преобразуются в

пропорциональные электрические сигналы или механические перемещения.

Элементглавнойобратнойсвязи10, вырабатывающий сигнал,

находится в определенной функциональной зависимости от регулируемой переменной.

Часть регулятора, которая образует сигнал ошибки ε (t), называют датчиком регулятора. Он состоит из задающего, измерительного и сравнивающего устройств. Часть регулятора, которая преобразует сигнал ошибки в регулирующее воздействие г(t), обычно называют сервомеханизмом.

Таким образом, САР состоит из трех частей: объекта регулирования,датчикаи сервомеханизма(рис. 1.11).

25

Рис. 1.11. САР, как совокупность трех основных частей: 1 — датчик; 2 — сервомеханизм; 3 — объект

Конкретные схемы систем регулирования могут отличаться от типовой схемы, изображенной на рис. 1.9. Часть устройств может отсутствовать или же конструктивно объединяться в одном устройстве, системы регулирования могут иметь и другие элементы, не показанные на схеме. Функции корректирующих устройств могут выполнять электронные вычислительные машины.

Всвязи с возрастающей сложностью объектов управления

ижеланием добиться оптимальных показателей качества, за последнее десятилетие резко повысилась роль автоматического управления. К тому же во многих случаях возникает необходимость учитывать взаимное влияние выходных

переменных друг на друга, что неизбежно отражается на структуре системы. Конфигурация такой многомерной системы управления приведена на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Многомерная система управления

Типичным примером разомкнутой системы управления

26

может служить кухонный электротостер. В качестве примера замкнутой системы можно рассматривать ситуацию, когда водитель автомобиля при движении по дороге наблюдает за его положением и осуществляет необходимые воздействия на органы управления (рулевое колесо и педали).

1.4. Статические характеристики систем управления

Математические модели систем управления включают два вида описания состояния: статическое и динамическое.

1.4.1. Виды статических характеристик

САР подразделяются на статические и астатические в зависимости от того, имеют они или нет ошибку в установившемся состоянии при определенного рода воздействиях. Режим работы систем, в котором управляемая и все промежуточные величины не изменяются во времени, называется статическим (установившимся) и описывается уравнениями зависимости выходного состояния объекта управления от постоянных (независимых от времени) значений управляющих воздействий u и любых других дестабилизирующих факторов f. Уравнения этой зависимости вида y = F(u,f) называются уравнениями статики систем. Соответствующие им графики называются статическими характеристиками. Статическая характеристика звена с одним входом u может быть представлена кривой y = F(u). Если звено имеет второй вход по возмущению f, то статическая характеристика задается семейством кривых y = F(u) при различных значениях f, или y = F(f) при различных u (рис. 1.13).

27

Рис. 1.13. Статическая характеристика САУ

Примером функционального звена системы регулирования уровня воды в баке может быть обычный рычаг с поплавком

Уравнение статики для него имеет вид y = K u. Функцией звена является усиление (или ослабление) входного сигнала в K раз. Коэффициент K = y/u, равный отношению выходной величины к входной, называется коэффициентом усиления звена. Если входная и выходная величины имеют разную природу, его называют коэффициентом передачи. Звенья с линейными статическими характеристиками называются линейными. Статические характеристики реальных звеньев систем, как правило, нелинейные. Для них характерна зависимость коэффициента передачи от величины входного сигнала: K= y/ u ≠ const, которая может быть выражена какойлибо математической зависимостью, задаваться таблично или графически. Если все звенья системы линейные, то система имеет линейную статическую характеристику. Если хотя бы одно звено нелинейное, то система нелинейная.

28

1.4.2. Статическое и астатическое регулирование

Если на управляемый процесс действует возмущение (дестабилизирующий фактор) f, то значение имеет статическая характеристика системы в форме y = F(f) при y0 = const. Возможны два характерных вида этих характеристик (рис. 1.14). В соответствии с тем, какая из двух характеристик свойственна данной системе, различают статическое и астатическое регулирование.

Рис. 1.14

Рассмотрим систему регулирования уровня воды в . резервуаре с помощью поплавкового регулятора (рис. 1.15).

29

Рис. 1.15. Статическая САР

Возмущающим фактором системы является поток Q воды из бака. Пусть при Q = 0 имеем y = y0, сигнал рассогласования по заданному уровню воды = 0. Звено управления Р системы (регулятор) настраивается так, чтобы вода при этом в бак не поступала. При Q ≠ 0, уровень воды понижается ( ≠ 0), поплавок опускается и открывает заслонку, в бак начинает поступать вода. Новое состояние равновесия достигается при равенстве входящего и выходящего потоков воды. Следовательно, при Q ≠ 0 заслонка должна быть обязательно открыта, что возможно только при каком-то новом уровне воды y1, при котором = К (y0-y1) ≠ 0. Причем, чем больше Q, тем при больших значениях устанавливается новое равновесное состояние. Статическая характеристика системы имеет характерный наклон (рис. 1.14, б).

Следует отметить, что такая система является системой прямого регулирования. Поплавок в ней жестко связан с регулирующим органом-задвижкой, которая изменяет количество воды, поступающей в единицу времени по питающей трубе в резервуар. Такая система — пример

статического регулирования, при котором регулируемая величина при разных, но постоянных внешних воздействиях на объект по окончании переходного процесса принимает

30