Объекты управления

Объектами управления (ОУ) могут быть живые организмы, коллективы людей, научно-производственные предприятия, производственные процессы, отдельные станки, машины и т. п.

В зависимости от типа объекта управления и задачи управле­ния могут быть самыми различными: от самых простых систем регулирования, поддерживающих неизменным какой-либо пара­метр объекта управления, например, скорость полета самолета, до сложных, содержащих десятки управляющих вычислительных машин (УВМ), решающих задачи оптимального управления мно­жеством процессов, например, при создании образцов новой тех­ники на научно-производственном предприятии.

В основу теории автоматического управления положена тео­рия автоматического регулирования, которая сформировалась в самостоятельную науку в 40-х годах прошлого века. Автомати­ческим регулированием называют поддержание постоянной или изменение по заданному закону некоторой величины, характе­ризующей процесс в объекте, осуществляемое при помощи из­мерения состояния объекта или действующих на него возмуще­ний и воздействия на регулирующий орган (регулятор) объекта управления.

Под автоматическим управлением понимается автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных и множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления

При решении любой задачи управления необходимо, прежде всего, учитывать свойства и состояние объекта управления которые определяются рядом величин, характеризующих ка* воздействие на объект внешней среды и управляющих устройств так и протекание процессов внутри самого объекта. Одни из этих величин измеряются в процессе работы и называются контро­лируемыми, а другие, влияющие на работу объекта — не изме­ряются и называются неконтролируемыми.

Величины, выражающие внешнее влияние на объект, на­зывают воздействиями. Воздействия, вырабатываемые управля­ющими устройствами, называют управляющими воздействиями (рис. 1.3) U. Воздействия на объект, не зависящие от системы управления, называют возмущениями. Возмущения могут быть контролируемыми G и неконтролируемыми F. Возмущения мож­но подразделить на два вида: нагрузку и помехи.

Наличие изменяющейся во времени нагрузки обусловлено работой самого объекта, и от нее он принципиально не может быть независим.

Помехи обычно связаны с побочными, нежелательными явлениями, и всякое их уменьшение улучшает работу объекта управления.

Контролируемые величины, ха­рактеризующие состояние объекта, по которым ведется управление, называ­ют управляемыми Y. Они являются частью всех параметров X объекта уп­равления (Y X).

Координаты векторов Uи Y называют управляющими и управляемыми координатами, координаты векторов G и F— координатами внешних воздей­ствий, а координаты вектора X— ко­ординатами состояния объекта.

Рис. 1.3. Объект управления

Если известно математическое описание ОУ, т. е. известна система уравнений, связывающая управляемые величины со всеми внешними воздействиями, то при известных начальных условиях эта система дает возможность по внешним воздей­ствиям найти вектор состояния и вектор управляемых коорди­нат ОУ.

Если векторы U и Y имеют по одной координате, то ОУ называют простым или односвязным. При наличии нескольких взаимосвязанных координат векторов U и Y объект называют многосвязанным.

Каждый ОУ может рассматриваться в условиях статики и динамики. В первом случае U, G и F считаются постоянными, независящими от времени. В этом случае характеристиками ОУ будут зависимости управляемых величин от внешних воздействий:

где — некоторая, в общем случае нелинейная, векторная фун­кция от независящих от времени внешних воздействий.

Указанные зависимости называют статическими характери­стиками ОУ.

Если ОУ подвержен гармоническим воздействиям, то в ус­тановившемся режиме он также может быть описан соотноше­ниями независящих от времени величин, например, амплитуд и фаз гармонических воздействий. В этом случае анализ ОУ сво­дится к анализу уравнения (1.1).

При изучении динамики ОУ исследуются зависимости Y(i) при заданных изменениях во времени внешних воздействий U(t), G(t), F(t). Характеристиками ОУ, которые в этом случае называ­ют динамическими, будут зависимости:

Y(t) = L{U(t), G(t), F(t)},

где L — некоторый, в общем случае нелинейный векторный оператор, дающий возможность при известных функциях вре­мени U(t), G(t), F{t) определить Y(t)

Во многих случаях математическое описание динамики ОУ может быть описано дифференциальными уравнениями в нор­мальной форме Коши:

dX/dt = {U, G, F, X, t};

где и — некоторые, в общем случае, нелинейные вектоные операторы, преобразующие зависящие от времени переменные U(t), G(t),F(t), X(t).

Если контролируемых координат у. и ^.достаточно для тог чтобы в соответствии с уравнениями (1.1) однозначно опред лить состояние ОУ (вектор X), то ОУ называют полностью н блюдаемым.

Если с помощью управляющих воздействий и можно одн< значно задать состояние ОУ, то ОУ называют полностью наблюдаемым.

Если система уравнений(1.1) может быть сведена к системе линейных дифференциальных уравнений, то ОУ называют линейным. В противном случае ОУ называют нелинейным.

Если ОУ не может быть описан системой уравнений типа (1.1), то ОУ называют нечетким.

При изучении статики основной интерес представляют сс бой зависимости управляемых координат от управляющих во: действий у,(и). Эти зависимости называют статическими характеристиками управления.

Если производная dy/du_j нигде не меняет знак, то характеристика называется монотонной (рис. 1.4). В противном случае - характеристика не монотонна.

Рис. 1.4. Монотонная характеристика ОУ

Когда при некотором, обычно оптимальном, значении и = и имеет место равенство dy/duj = 0, и слева и справа от этой точки производная меняет знак, тог­да характеристика является экстремальной (рис. 1.5).

При изучении динамики основной интерес представляют оценка устойчивости ОУ и качество управления.

ОУ устойчив, если после кратковременного внешнего воздействия он с течением времени возвращается к исходному состоянию или близкому к нему.

Рис. 1.5. Экстремальная характеристика ОУ

Нелинейный объект может быть устойчив "в ма­лом" — при малых возмущени­ях, или "в большом" — при больших возмущениях. Один и тот же нелинейный ОУ в за­висимости от режима работы может находиться в устойчивом или неустойчивом состоянии. Качество управления, обычно оценивается по вре­мени переходного процесса , перерегулированию [%] и статической ошибке , где - максимальное значение, - установившееся значение и - заданное значение управляющей координаты ОУ(рис. 1.6).

Рис. 1.6. Переходный процесс

Устойчивость и качество управления ОУ обеспечивается ре­гуляторами (Р), формирующими управляющие воздействия U в соответствии с задающими воздействиями К и измеренными и/или идентифицированными с помощью информационно-из­мерительной системы (ИИС) векторами состояния X, G объекта управления и внешней среды соответственно (рис. 1.7).

Дата добавления: 2015-04-29