Системы управления. Управляющие воздействия, таким образом, должны быть связаны с фактическим и заданным состоянием технологического объекта управления

Управляющие воздействия, таким образом, должны быть связаны с фактическим и заданным состоянием технологического объекта управления. Фактическое состояние объекта управления в любой момент времени будет отличаться от заданного за счет действия многих факторов на объект со стороны окружающей среды. Поэтому требуется непрерывно оценивать состояние объекта, сравнивать с заданным состоянием и в случае существенного отклонения между ними наносить управляющие воздействия на объект, направленное на устранение этих отклонений. Это одна из основных целей управления и связана с компенсацией вредных, нежелательных влияний со стороны окружающей среды. Вторая основная цель связана с реализацией заданной траектории движения. При этом под движением будем понимать не только механическое перемещение во времени и пространстве, но и изменение во времени всех физических величин, характеризующих состояние объекта управления.

Эти целенаправленные воздействия на объект называются управляющими воздействиями на объект, они вырабатываются в специальных блоках – подсистемах, которые называются управляющими системами, управляющие объектами. Объект управления и управляющий объектом взаимосвязаны между собой и представляют систему управления, таким образом:

1. Объект управления (управляемый объект) и управляющий объект являются частью системы управления.

2. Процесс управления реализуется именно в системе управления.

Обычно системы управления и ее части представляются в виде различного рода схем: структурных или блок-схем. При этом части схем, отдельные ее элементы отображаются в виде прямоугольников, где внутри ставится условное обозначение этого элемента (ОУ - объект управления), а связи этого элемента с другими элементами системы или с окружающей средой обозначаются с помощью стрелок(рис. 1).

ОУ О

W

Рис.1. Структура объекта управления Структура неуправляемого объекта

U Y

ОU

V Y

V={W,U}

Отличие на схемах управляемого и неуправляемого объекта в том, что входные воздействия неуправляемого объекта неодинаковы по своему действию и обозначены V, а входные воздействия управляемого объекта разделены на два принципиально-различных класса U,W.

Стрелки, направленные к прямоугольнику отражают входные воздействия (U,W) на этот элемент, а стрелки, направленные от прямоугольника, называются выходными воздействиями(Y).

Вектор – упорядоченная совокупность любых элементов или воздействий, обладающих хотя бы одним общим свойством.

, где V – вектор входных воздействий;

, где Y – вектор выходных воздействий;

, где V – вектор входных воздействий, объединяет два различных вида входных воздействий U и W.

Это два принципиально различных воздействия:

U – управляющие воздействия, они вырабатываются в системе управления.

W – внешние воздействия, т.е. воздействие со стороны окружающей среды.

(6),3,…, M_w

(7) M=M_u+M_w

М – число входных воздействий, его часто называют размерностью этого множества, которая и определяет объем этого множества.

8) W= { W_k, W _н}, где W_k – контролируемое внешнее воздействие, W _н – неконтролируемые внешние воздействия.

Основным отличием вектора W является то, что, как правило, эти воздействия могут препятствовать достижению цели, поставленной перед системой управления. Поскольку управляющие воздействия вырабатываются внутри системы управления, то их значение и соответственно изменение их во времени известно. Эти значения хранятся внутри управляющей системы, в то время как внешние воздействия могут быть как известными, так и неизвестными. W_K – отражает ту часть множества внешних воздействий,которая известна управляющей системе, контролируется, а W_H – неконтролируемая часть внешних воздействий. Известно лишь то, что они имеют место в действительности, оказывают влияние на состояние управляемого объекта. Соотношение W_K и W_H могут быть различны. Если уровень влияния неконтролируемых воздействий достаточно высок, то говорят, что объект управления функционирует в условиях неопределенности, т. е. определить его состояние точно невозможно, а лишь с какой-то степенью вероятности, с большим приближением.

Каждое из указанных выше воздействий можно записывать в виде:

Y=Y₀+y; (9)

V=V₀+v; (10)

W=W₀+w;W_k=W_k0+w_k; (11)

U= U₀+u (12)

где U₀, Y₀, V_0, W₀ – опорные уровни соответствующих воздействий Y, V,U и W

u, y, v, w – отклонения соответствующих воздействий от их опорных уровней.

Отклонение внешних воздействий w от опорного уровня называется внешним возмущающим воздействием или внешним возмущением, а u – регулирующее воздействие. Поясним это графически:

Y(t) Y(t)

y (t)

t

Рис.3.Графическое представление выходного воздействия

y(t)=Y(t)-Y₀(t); (13)

Y(i)=Y₀(i)+y(i); (15)

где t – непрерывное время, i – дискретное время.

Для того, чтобы понять для чего разлагают входное или выходное воздействия (например Y) на базовую составляющую (Y₀) и отклонение y, рассмотрим пример с летательным аппаратом.

А В

y Заданная траектория(Y₀)

Фактическая(У)

Рис 4. Базовая и возмущенная траектории движения

Прежде чем аппарат запустить, рассчитывают траекторию его перехода из точки А в точку В (Y₀). При этом в расчётах учитывают определённое значение характеристик окружающей среды. Задачей системы управления полётом является реализация этой траектории, например с минимальной затратой топлива.

Однако после запуска, значение характеристик окружающей среды будут отличаться от расчётных, отклонения этих величин от расчётных, представляет собой так называемые внешние возмущающие воздействия. Эффектом наличия таких возмущений является отклонения от расчётной траектории (Y₀), т.е. y(t)=Y(t)-Y₀(t)

Чтобы устранить эти отклонения необходимо применять дополнительные целенаправленные (регулирующие) воздействия, которые связанны с обеспечением требуемой близости фактической и расчётной траектории движения.

Регулирующее воздействие – частый случай управляющих воздействий, которые вырабатываются в системе управления дл отработки заданных траекторий выходной переменной.

При первом знакомстве с системой управления мы выделили две ее части: объект управления и управляющий объект, полагая при этом, что это самое укрупненное представление системы. Представим систему управления несколько более подробно.

УО

ОУ

ИС

W _н ^D

ИБ

Z={U; W_k;Y}

U₁Y^*

Рис. 5. Блок – схема, системы управления.

Индекс D – означает действительные значения соответствующих входных и выходных воздействий, а вектор Z – объединяет векторы управляющих U, внешних контролируемых W_k выходных воздействий Y, измеренных с помощью измерительной системы ИС, ИБ – исполнительный блок, реализует команды УО, поступающие с его выхода. Y* - задающее воздействие, отражающее цель работы управления.

ОУ – объект управления (управляемый объект), т.е. та часть системы, на которую требуется выработать и нанести управляющие воздействия, направленные на достижение поставленной цели.

Две части системы, обозначенные в схеме: ИС – измерительная система, ИБ – исполнительный блок системы, называются приобъектными подсистемами (часть системы, взаимосвязанную с другими частями системы называют подсистемами).

В системе управления реализуется 2 вида технологических процессов:

1. Процессы преобразования энергии и вещества протекающие внутри объекта управления.

2. Процессы получения, передачи, хранения, преобразования и выдачи данных, т.е. информационные процессы.

Интеграция этих двух процессов осуществляется при помощи приобъектных систем. Это измерительная система и исполнительные блоки.

Измерительная система с помощью датчиков информации преобразует значения физических величин в сигналы измерительной информации, которые фиксируют данные в системе управления.

Исполнительный блок – это такая часть системы, которая принимая командные сигналы от управляющего объекта, непосредственно воздействует на ОУ или на материальные, энергетические потоки объекта.

Состояние объекта управления, где протекают процессы преобразования энергии и вещества, характеризуется множеством физических величин, которые требуется в первую очередь измерить, преобразовать их в сигнал измерительной информации.

При этом считается, что состояние объекта характеризуется некоторым набором физических величин. Чем сложнее система, тем больше чисто таких величин и тем динамичнее изменяются эти величины. С помощью измерительных систем, происходит стыковка материально-энергетических процессов с информационными процессами: физические величины, характеризующие протекание материально-энергетических процессов, преобразуются в пропорциональные им значения сигнала измерительной информации, которая в дальнейшем участвует в информационном процессе.

Сигнал – это носитель информации, носитель данных. СИИ является носителем данных, характеризующих значения физических величин, с помощь которых оценивают конкретное состояние объекта управления. С помощью этой подсистемы происходит стыковка, сочленение объекта управления с управляющим объектом, который приспособлен для работы с СИИ. В свою очередь в управляющем объекте осуществляются преобразования, хранение и выдача сигналов. На выходе управляющего объекта формируются управляющие командные воздействия Y₁, в виде сигнала. Эти командные сигналы требуется преобразовать непосредственно в изменение входных потоков энергии и вещества, поступающих в объект управления. Изменения этих потоков должны привести к требуемому состоянию объекта. Задача преобразования командных сигналов от управляющего объекта в непосредственное изменение входных энергетических и материальных потоков реализуется с помощью исполнительных блоков. Именно эти блоки, представленные, например, в виде механически сочленых между собой приводов электродвигателя и регулирующих органов, позволяют непосредственно изменять входные воздействия на объект управления.

Измерительные системы ИС и исполнительные блоки системы ИБ называются приобъектными системами, потому что они непосредственно сочленены с ОУ, тесно связаны с ним, и во многих книгах и учебниках эти подсистемы непосредственно включены в состав объекта управления. Однако их целесообразно выделять при описании системы управления, подчеркивая их роль для интеграции процессов преобразования энергии и вещества и информационных процессов.

Задающие воздействия отражают цель системы управления в количественной форме. Например, это может быть программа перемещения движущегося тела, представленная виде пространственной траектории. Это может быть заданная температура в печи, которую требуется поддерживать постоянной. В первом случае говорят, что система имеет переменное задание, такую систему называют следящей, во втором случае задание постоянно и такую систему называют системой стабилизации.

Дата добавления: 2014-01-11