Е). Системы стабилизации, программного управления и следящие

Классификация САУ

Для ознакомления с основными видами САУ и соответствующей терминологией рассмотрим классификацию систем по ряду существенных с позиции теории автоматического управления признаков.

а). Системы разомкнутые, замкнутые и комбинированные.

В общем виде САУ с одной выходной координатой, одним задающим и одним возмущающим воздействиями представлена на рис.1.1, на котором обозначено:

О - объект управления;

УУ - управляющее устройство (регулятор);

Х - выходная величина, характеризующая состояние объекта;

Y - регулирующее воздействие;

G - задающее воздействие;

F - возмущающее воздействие.

F

G Y Х

УУ О

Рис.1.1

На вход УУ помимо задающего воздействия поступает информация о возмущающем воздействии и о текущем реальном значении выходной величины. В соответствии с этим УУ полученную информацию преобразует и формирует регулирующее воздействие.

В частных случаях САУ могут иметь не все представленные связи.

В разомкнутых САУ выходная величина объекта не измеряется, то есть, нет контроля за состоянием объекта. Разомкнутыми они называются потому, что в них отсутствует связь между выходом объекта и входом управляющего устройства.

Возможны варианты, в которых УУ измеряет только задающее воздействие G, либо задающее и возмущающее воздействие F. В первом варианте принято говорить, что управление осуществляется по задающему воздействию, во втором - по возмущающему.

При реализации управления по задающему воздействию команды G путем изменения Y приводят к соответствующим изменениям выходной величины Х. Точность соответствия Х и G определяется стабильностью параметров УУ и О, а также величиной возмущения.

В САУ с управлением по возмущающему воздействию (такие САУ называют еще системами, реализующими принцип управления по возмущению) регулирующее воздействие Y формируется таким, чтобы скомпенсировать отклонение выходной величины Х, вызванное измеряемым возмущением F. Для повышения точности необходимо учитывать все возможные возмущения. Практически большинство возмущений трудно измерить и преобразовать в нужный тип сигнала. Кроме того, измерение нескольких возмущений усложняет схему САУ.

В замкнутых САУ на вход УУ подаются задающее воздействие G и выходная величина объекта Х. Исходя из величины G управляющее устройство определяет соответствующее требуемое значение Х₀ и, имея информацию о текущем значении Х, обеспечивает необходимое соответствие между Х и G путем воздействия на объект.

В такой САУ управляющее устройство стремится ликвидировать все отклонения Х от предписанного Х₀ независимо от причин, вызывающих эти отклонения, включая любые возмущения и внутренние помехи.

САУ такого типа представляют собой замкнутый контур, образованный О и УУ. Управляющее устройство создает обратную связь вокруг объекта, связывая его выход со входом. Замкнутые САУ называют поэтому еще системами с обратной связью или системами, реализующими принцип управления по отклонению. Именно системы с обратной связью представляют основной тип САУ.

При использовании в одной системе принципов управления по отклонению и по возмущению получают комбинированную САУ. В этом случае повышается качество управления, так как увеличивается информация о состоянии объекта и внешней среды.

Проиллюстрируем (на качественном уровне, без количественной оценки) преимущества замкнутой САУ над разомкнутой по задающему воздействию на примере генератора постоянного тока, управляемого по цепи возбуждения. Схема разомкнутой системы приведена на рис.1.2.

w=сonst

+

+

U R₁

У Г R_н

- U_з

I_в - I_н

Рис.1.2

Предположим, что обеспечено вращение вала генератора Г с неизменной угловой скоростью w, генератор работает на линейном участке кривой намагничевания, функциональный усилитель У обеспечивает линейную зависимость тока возбуждения I_в от задающего напряжения U_з.

Управлять выходной величиной - напряжением U_н, прикладываемым к сопротивлению нагрузки R_н, можно, изменяя величину U_з путем передвижения движка потенциометра R₁.

В качестве возмущающего воздействия рассмотрим изменение величины нагрузки, т.е. тока I_н.

По второму закону Кирхгофа

где Е - э.д.с. генератора,

- внутреннее сопротивление генератора.

Если ток нагрузки изменяется от 0 до какого-то максимального значения , то изменение выходного напряжения при этом составит величину (при условии, что U_з=const)

Если мощность генератора соответствует мощности нагрузки, то относительно R_н составляет величину, которой нельзя пренебречь, в результате относительно Е является величиной существенной, т.е. изменение нагрузки при неизменном задающем воздействии значительно влияет на выходное напряжение.

Далее замкнем обратную связь, т.е. подадим часть выходного напряжения, снимаемого с резистора R₃ делителя напряжения на резисторах R₂ и R₃ и обозначенного , на вход усилителя У, как показано на рис.1.3. Причем полярность напряжений должна быть такой, как показано на рис.1.3 без скобок.

+ (-)

+

R₁

R₂

У Г + R_н

- I_в (+) - (-)

R₃

(+) -

I_н

Рис.1.3

Пусть эта схема находилась в каком-то исходном установившемся состоянии, при котором

Далее предположим, что в схеме произошло возмущение - скачком увеличилось сопротивление нагрузки и, следовательно, уменьшился ток . Как схема отреагирует на это возмущение?

Вначале напряжение увеличится, так как уменьшится падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора. Следовательно, увеличится , уменьшится ( осталось неизменным), пропорционально уменьшится , уменьшится Е, уменьшится и выходное напряжение . Указанные процессы будут происходить не мгновенно, а за какое-то конечное время, по истечении которого выходное напряжение с какой-то точностью вернется к исходному значению. Если бы произошло не уменьшение, а увеличение тока нагрузки, то все величины изменялись бы в противоположную сторону.

В рассмотренной схеме изменение тока нагрузки (возмущающего воздействия) уже не приводит к значительному изменению выходного напряжения.

Но рассмотрим еще один аспект: как бы работала схема, если бы генератор подключили с противоположной полярностью (указана на рис.1.3 в скобках).

При увеличении и уменьшении вначале увеличится, как и в предыдущем случае. Увеличится и , но теперь , таким образом увеличится , увеличатся и Е, следовательно, еще больше увеличится . Таким образом, вызванное на начальном этапе после возмущения увеличение приводит к увеличению , которое в свою очередь увеличивает и т.д. Схема стала неработоспособной (в первом случае обратная связь была отрицательной, во втором - положительной).

Одна из задач теории автоматического управления - дать точную количественную оценку всем рассмотренным в настоящем примере явлениям.

б). Системы линейные и нелинейные.

Линейной называется система, которая описывается только линейными уравнениями. Чтобы система была нелинейной, достаточно иметь в ее составе хотя бы одно нелинейное звено.

Для линейных САУ применим принцип суперпозиции: реакция системы на любую комбинацию внешних воздействий равна сумме реакций на каждое из этих воздействий, поданных на систему порознь.

Необходимо отметить, что реальные линейные системы являются таковыми лишь в определенном диапазоне изменения воздействий. Если не ограничивать диапазон изменения воздействий, то любая САУ становится нелинейной.

в). Системы непрерывного и дискретного действия.

Непрерывная система состоит из звеньев, выходная величина которых изменяется плавно (без скачков) при плавном изменении входного воздействия. Дискретная САУ должна содержать хотя бы одно звено дискретного действия. Под звеном дискретного действия понимается звено, у которого выходная величина изменяется скачками при плавном изменении входной.

г). Системы стационарные и нестационарные.

Стационарной называется система, все параметры которой не изменяются во времени. Нестационарная система - это система с переменными во времени параметрами. При математическом описании такой системы некоторые коэффициенты являются функциями времени.

В качестве примера нестационарной системы можно привести самолет. В полете по мере расхода горючего масса самолета уменьшается.

д). Одномерные и многомерные САУ.

Разделение на данном уровне классификации производится по числу выходных координат объекта управления.

Пример одномерной системы - источник питания постоянного тока (выходная координата одна - среднее значение напряжения), двухмерной - источник питания переменного тока (выходных координат две - частота и эффективное значение напряжения), трехмерной - радиолокационная станция слежения за летательными аппаратами (выходных координат три - дальность, угол места, азимут).

Системы стабилизации характеризуются неизменностью задающего воздействия. Задача таких систем - поддержание с допустимой ошибкой выходной величины при наличии возмущающих воздействий.

Системы программного управления отличаются тем, что задающее воздействие изменяется по заранее установленному закону.

В следящих системах задающее воздействие также является величиной переменной, но заранее закон его изменения неизвестен. Источником сигнала является внешнее явление.

Таким образом, для систем стабилизации G=const, для следящих систем и систем программного управления G=var.

Дата добавления: 2015-04-29