Тема III: Исходные понятия теории управления и регулирования.

 

Основные термины и определения ТАР.

Функциональная схема САР.

3. Декомпозиция за­дач и систем управления

Основные свойства объекта управления.

4. Состав регулятора.

 

 

Основные термины и определения ТАР.

 

Рассмотрим некоторые основные понятия автоматики, касающиеся принци­пиальных теоретических вопросов автоматического управления. К таким поня­тиям следует отнести: управляемый объект, управление, автоматическое управ­ляющее устройство, автоматическую систему, воздействие, сигнал, обратную связь и др. Эти понятия являются общими для автоматического управления в самых различных областях науки и техники независимо от конкретных особен­ностей, принципа действия и практического назначения той или иной автома­тической системы.

Ранее уже рассматривались понятия управления и цели системы:

Управление – целенаправленное вмешательство в процесс в системе.

Цель системы - получение желаемого выходного воздействия или достижения желаемого состояния системы.

Регулирование – разновидность управления, целью которого является поддержание постоянной или изменение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс.

Объект, в котором протекает управляемый процесс, называется управляемым объектом или объектом управления.

Система управления (СУ) – совокупность управляющего устройства (УУ) и объекта управления (ОУ).

Рис. 3.1. Функциональная схема системы управления.

 

 

Состояние объекта определяется рядом величин, характеризующих как воздействие на объект внешней среды и управляющих устройств, так и протекание процессов внутри самого объекта.

Рис. 3.2. Функциональная схема воздействий на объект управления.

f = f (f₁, f₂, … f_k) - неконтролируемые возмущения;

g = g (g₁, g₂, … g_r) – контролируемые возмущения;

u = u (u₁, u₂, … u_s) – управляющие воздействия;

x = x (x₁, x_{2, …} x_n) – переменные состояния (фазовые координаты объекта);

y = y (y_1, y_{2, …} y_m) – выходные (наблюдаемые) переменные;

 

Контролируемые величины, характеризующие состояние объекта, по которым ведётся управление, называются управляемыми, или регулируемыми величинами.

Величины, выражающие внешние влияния на объект называются воздействиями.

Воздействия, вырабатываемые управляющим устройством или задаваемые

человеком, называются управляющими воздействиями.

Воздействия, не зависящие от системы управления, называются возмущениями.

Возмущения можно разделить на два вида: а) нагрузка, б) помехи.

В общем случае управляющие, возмущающие воздействия и состояния объекта – векторы.

Если объект характеризуется одной управляющей и одной управляемой величиной, то векторы u и y имеют по одной координате, и объект называется простым или односвязным (одномерным).

При наличии нескольких взаимосвязанных координат векторов u и y объект называется многосвязным (многомерным).

 

Управление, осуществляемое без участия человека, называют автомати­ческим, а техническое устройство, выполняющее в этом случае функции уп­равления,— автоматическим управляющим устройством или контролле­ром; объект управления и контроллер во взаимодействии друг с другом об­разуют систему автоматического управления.

Системы автоматического управления – чисто машинные комплексы, построенные по законам автоматического регулирования и применяемые главным образом для управления технологическими и производственными процессами, описание которых может быть полностью формализовано.

Система автоматического управления – совокупность управляемого объекта и управляющего устройства, взаимодействующих между собой в соответствии с законом (алгоритмом) управления.

 

Функциональная схема САР.

Простейшая функциональная структурная схема системы управле­ния показана на рис .3.3 Здесь контроллер КН, получая информа­цию о цели управления в виде меняющегося во времени t сигнала зада­ния x(t), формирует управляющее воздействие u(t) на объект ОБ таким образом, чтобы управляемая величина у(t) менялась в соответ­ствии с изменением x(t), т. е. так, чтобы достигалась цель управления:

 

Рис.3.3. Функциональная схема системы автоматического управления.

 

Очевидно, что подобная система управления может реально функцио­нировать только тогда, когда между изменением y(t) и вызвавшим его изменением \x(t) в объекте существует однозначное соответствие. Это соответствие отражается в математической модели объекта, которая предполагается заранее известной и может быть использована для определения алгоритма функционирования контроллера (алгоритма управления). Этот алгоритм определяет, как следует изменять управ­ляющее воздействие u(t) в зависимости от изменения x(t) для того, чтобы была достигнута цель управления.

Информацию о математической модели объекта, используемую для проектирования алгоритма функционирования контроллера, называют априорной (начальной) информацией об объекте управления.

Практически рассмотренная структура системы управления может функ­ционировать только при выполнении следующих довольно жестких усло­вий: на объект управления не действуют никакие возмущения; математи­ческая модель объекта известна для любого момента времени с достаточно вы­сокой точностью; требуемый алгоритм управления может быть реализован в контроллере с достаточно высокой точностью.

Нарушение хотя бы одного из этих условий приведет к появлению некон­тролируемого самопроизвольного отклонения управляемой величины от же­лаемого значения, причем с течением времени это отклонение может стать сколь угодно большим.

В этом случае в структуру системы управления приходится вводить доба­вочный канал, по которому контроллер получает информацию о действитель­ном значении управляемой величины в каждый момент времени; это позво­ляет контроллеру при появлении отклонения от желаемого значения (неза­висимо от того, какой причиной оно вызвано) осуществить добавочное изме­нение управляющего воздействия на объект так, чтобы это отклонение было ликвидировано.

 

 

 

Рис. 3.4. Функциональная схема замкнутой системы автоматического

управления.

 

Соответствующая информационная структурная схема си­стемы приведена на рис.3.4; канал, по которому информацию с выхода си­стемы об изменении управляемой величины подается на вход контроллера, называют каналом обратной связи, или просто обратной связью. На этой схе­ме, помимо управляющего воздействия на объект ц (t), показаны также воз­мущающие воздействия X (t), число которых может быть неопределенно большим; среди них могут быть и недоступные для контроля.

В процессе работы контроллер получает текущую информацию о цели управления, а также информацию о текущем состоянии объекта и среды его функционирования и в соответствии с этой информацией (которая называет­ся рабочей) формирует управляющие воздействия на объект так, чтобы была достигнута цель управления.

В системе с обратной связью (рис. 3.4 ) имеется замкнутый контур циркуляции сигналов; поэтому такие системы получили также название замкнутых систем управления. Соответственно систему управления без об­ратной связи (рис.3.3) называют разомкнутой.

На практике, особенно при управлении технологическими (и в том числе теплоэнергетическими) процессами, сформулированные выше условия при­менимости разомкнутых систем управления почти никогда не выполняются, так что реальные системы управления обычно имеют в своей структуре зам­кнутые контуры.

 

 

В зависимости от характера изменения сигнала задания (задающего воздействия) системы управления принято разделять на три вида:

1. Стабилизации, если задающее воздействие не меняется во времени.

2. Программного управления, если задающее воздействие является зара­нее известной (детерминированной) функцией времени.

3. Зависимого управления, или следящей, если задающее воздействие яв­ляется неопределенной в будущем функцией времени, т. е. такой функцией, характер изменения которой в будущем нельзя прогнозировать или в луч­шем случае можно прогнозировать лишь с определенной степенью вероятно­сти.

 

Управление называется непрерывным, если осуществляемое контрол­лером изменение управляющего воздействия происходит в непрерывной за­висимости от изменения задающего воздействия и управляемой величины (а возможно, и от производных и интегралов от этих изменений). В случае дискретного управления управляющее воздействие принимает лишь какое-нибудь одно из нескольких возможных значений (в пределе — только из двух возможных значений) либо формируется в дискретные моменты време­ни.

Дискретное управление, в частности, применяется тогда, когда алгоритм управления имеет характер логических условий; в этом случае его называ­ют логическим. Логическое управление чаще всего применяется в пусковых режимах объекта, когда необходимо в определенной последовательности вводить в действие отдельные двигатели, механизмы и т. п. Обычно на прак­тике при управлении сложными технологическим объектами непрерывное и дискретное управления применяются совместно. Так, управление температу­рой пара, вырабатываемого энергоблоком, производится непрерывно измене­нием положения клапана подачи воды на впрыск; однако при сильных изме­нениях нагрузки может понадобиться, кроме того, и переключение в схеме питательных магистралей и т. п.

 

3. Декомпозиция за­дач и систем управления

 

На практике задача управления, как правило, расчленяется на несколько взаимосвязанных, но в то же время относительно самостоятель­ных задач, что приводит и к расчленению системы управления на более мел­кие соподчиненные подсистемы. Подобное скоординированное между собой расчленение задач и систем управления получило название декомпозиции за­дач и систем управления.

Как правило, из общей задачи управления выделяется задача устранения (или, по крайней мере, сведения к допустимому минимуму) вредного влия­ния на достижение цели управления действующих на объект неконтролируе­мых возмущений, а также неконтролируемых погрешностей в задании моде­ли объекта, т. е. задача, которая в структуре замкнутой системы управле­ния (рис. 1.1, б) решается на основе рабочей информации, получаемой конт­роллером по каналу обратной связи. Эта относительно самостоятельная часть задачи управления получила название задачи регулирования объекта, а часть системы управления, выполняющая эту задачу, — подсистемы ре­гулирования.

В результате подобной декомпозиции задачи управления контроллер расчленяется на два соподчиненных блока:

1) регулирующий, осуществляющий функции регулирования; этот блок обычно называется автоматическим регулятором, или просто регулятором;

2) командный, вырабатывающий командное воздействие на регулятор таким образом, чтобы была достигнута цель управления.

Рис. 3.5. Функциональная схема системы автоматического управления.

 

 

Структура системы управления в этом случае приобретает указанный на рис. 1.2 вид. Командное воздействие и (t), вырабатываемое командным бло­ком КБ, подается на вход подсистемы регулирования (на схеме она очерче­на штриховой линией), где на основании выявленного отклонения управля­емой величины от командного воздействия е_р (t) = и (t) — у (t) регулятор Р формирует управляющее воздействие \i (t). Выявление отклонения е_р (t) происходит в сумматоре, обозначенном на схеме кружком; знак, с которым берется каждое слагаемое, указан у концов соответствующих стрелок, вхо­дящих в сумматор.

Смысл подобного, опосредствованного через подсистему регулирования, управления состоит в том, что отклонения управляемой величины от ее за­данного значения, вызванные возмущениями и другими неучтенными факто­рами, достаточно эффективно устраняются регулятором, так что такую сис­тему управления можно рассматривать как систему управления объектом без возмущений (см. рис. 1.1, а), функции которого теперь выполняет подсистема регулирования в целом.

Рассмотренную систему управления (рис. 1.2) можно считать двухуров­невой: первый (нижний) уровень образует подсистема регулирования, вто­рой — система управления со структурой, показанной на рис. 1.1, а, в кото­рой в качестве контроллера КН выступает КБ, а в качестве объекта ОБ — подсистема регулирования. Такого рода двухуровневые (а в общем случае и многоуровневые) структуры систем управления, в которых верхний уровень выполняет командные функции по отношению к нижестоящему уровню, получили название иерархических структур систем управления. Расчлене­ние системы на соподчиненные уровни, на каждом из которых решается своя, относительно простая частная задача управления, позволяет сравнительно просто и эффективно решать общую задачу управления.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: