Автоматические системы управления

   2.3. Принцип управления по отклонению

(принцип обратной связи). 

   Этот принцип является одним из наиболее ранних и широко распространённых принципов управления. В соответствии с ним воздействие на регулирующий орган объекта вырабатывается как функция отклонения регулируемой величины от предписанного значения.

    Обратную связь можно обнаружить во многих процессах в природе. Примерами могут служить вестибулярный аппарат, обнаруживающий отклонения тела от вертикали и обеспечивающий поддержание равновесия, системы регуляции температуры тела, ритма дыхания и т.п. В общественных учреждениях обратная связь при управлении устанавливается посредством осуществления контроля исполнения. Принцип обратной связи является весьма универсальным фундаментальным принципом управления, действующим в технике, природе и обществе. 

2.4.  Принцип регулирования по возмущению

(принцип компенсации). 

    Так как отклонение регулируемой величины зависит не только от управления, но и возмущающего воздействия, то в принципе можно сформулировать закон управления так, чтобы в установившемся режиме отклонение отсутствовало.

    Принцип регулирования паровой машины по моменту сопротивления на её валу был предложен в 1930 г. французским инженером И.Понселе, однако реализовать это предложение на практике не удалось, поскольку динамические свойства паровой машины (наличие астатизма) не допускали непосредственного использования принципа компенсации. Но в ряде других технических устройств принцип компенсации использовался давно. Примечательно, что его использование в статике не вызывало сомнений, попытка же Г.В.Щипанова в 1940 г. Предложить принцип инвариантности по возмущению для ликвидации отклонений в динамике вызывала резкую дискуссию и обвинения в нереализуемости предложения. В.С.Кулебакин в 1948г. и Б.Н.Петров в 1955 г. показали, как следует строить системы, чтобы можно было реализовать в них принцип инвариантности. В 1966 г. предложенный Г.В.Щипановым принцип инвариантности был зарегистрирован как открытие с приоритетом - апрель 1939 г. Тем самым была исправлена ошибка его оппонентов, состоявшая в том, что отрицалась реализуемость принципа инвариантности вообще.

    Системы регулирования по возмущению в сравнении с системами, действующими по отклонению, отличаются обычно большими устойчивостью и быстродействием. К их недостаткам относятся трудность измерения нагрузки в большинстве систем, неполный учёт возмущений (компенсируются только те возмущения, которые измеряются). Так, при компаундировании электрической машина не компенсируются колебания напряжения сетей, питающих гонный двигатель и обмотки возбуждения, колебания сопротивлений обмоток от изменения температуры и др. Во многих случаях весьма эффективно применение комбинированного регулирования по возмущению и отклонению, широко используемое для регулирования напряжения мощных синхронных генераторов на крупных электростанциях (компаундирование с коррекцией). Комбинированные регуляторы объединяют достоинства двух принципов, но, естественно, конструкция их сложнее, а стоимость выш 

   3. Основные виды алгоритмов функционирования. 

    С давних времён в системах автоматического управления использовался алгоритм функционирования, называемый стабилизацией - поддержанием постоянного заданного значения регулируемой величены. Позднее появились алгоритмы типа программного управления - поддержания заданной функции времени - и следящего управления - воспроизведения неизвестной заранее функции.

    В последние десятилетие появились новые, более тонкие алгоритмы функционирования. Рассмотрим основные из них.

3.1. Поиск  экстремума  показателя качества

(экстремальное управление) 

     В ряде процессов показатель качества, или эффективность, выражается в каждый момент времени функцией текущих координат системы. При этом управление может считаться нормальным, если оно обеспечивает удержание показателя качества в точке максимума. Примером может служить настройка приёмной станции на частоту передающей по наибольшей громкости приёма или наибольшей яркости свечения индикаторной лампочки. Точка экстремума под воздействием различных возмущений смещается в каком-то определённом направлении, но при этом неизвестно, в каком именно направлении следует воздействовать на регулирующий орган, чтобы вернуть систему к экстремуму.

Для экстремального управления выполняются сначала небольшие пробные движения, затем анализируется реакция на них системы и по результатам анализа вырабатывается управляющее воздействие.

    Первые упоминания в литературе об экстремальных регуляторах содержатся в статье М.Леблана (1922), где описаны регуляторы для колебательного контура электропоезда, и в книге Т.Штейна (1926), где высказывалась идея регулирования топки парового котла по минимуму потерь в дымовой трубе. Далее экстремальные регуляторы исследовались и предлагались Ю.С.Хлебцевичем (1940), В.В.Казакевичем (1943). Широкую известность принцип экстремального регулирования приобретает в 50-х годах после выхода в свет книги Цян Сюэ-сеня (1954) и статей Дрейпера и Ли. 

    3.2.Принцип оптимального управления. 

      Ещё один фундаментальный принцип - оптимального управления - в последние годы начал применяться как в технических системах для повышения эффективности производственных процессов, так и в системах организованного управления для совершенствования деятельности предприятий, учреждений, отраслей народного хозяйства.

    Принцип оптимального управления можно применить в процессах, показатель эффективности которых зависит не только от текущих значений координат, но и от характера их изменения в прошлом, настоящем и будущем; показатель эффективности выражается некоторым функционалом от координат или от времени. В качестве примера можно привести процесс управления бегом спортсмена на дистанции. Запас энергии спортсмена ограничен, а её расходование зависит от характера бега. Спортсмен не может в каждый момент времени отдавать максимум возможной мощности, так как при этом быстро выдохнется на дистанции.

    Нахождение оптимального управления в подобных задачах требует решения в процессе управления достаточно сложной  математической задачи методами вариационного исчисления или математического программирования. Таким образом, органической частью систем оптимального управления становится вычислительная машина.

3.3. Принцип адаптации.  

    В управлении начинает использоваться принцип адаптации. он применяется тогда, когда параметры системы под влиянием внешних факторов изменяются непредвиденным заранее образом настолько сильно, что движение системы претерпевает существенные качественные изменения. При этом рассмотренные выше принципы управления уже не дают возможности обеспечить нормальное функционирование системы и необходимо в процессе управления изменять параметры и даже структуру системы.  

4. Классификация систем автоматического управления.

    Системы автоматического управления классифицируются по различным признакам.

    По характеру изменения управляющего воздействия  различают системы автоматической стабилизации, программного регулирования и следящие системы.

   По виду передаваемых сигналов  выделяют системы непрерывные, с гармонической модуляцией, импульсные, релейные и цифровые.

  По способу математического описания, принятого при исследовании, выделяют линейные и нелинейные системы. Обе группы могут быть представлены непрерывными, дискретными и дискретно-непрерывными системами.

    По виду контролируемых изменений своих свойств   различают неприспосабливающиеся и приспосабливающиеся (адаптивные) системы.  В последнем классе можно выделить самонастраивающиеся системы с самонастройкой параметров или воздействий и самоорганизующиеся системы с контролируемыми изменениями структуры.

    В зависимости от принадлежности источника энергии, при помощи которого создаётся управляющее воздействие, системы могут быть прямого и непрямого действия. В системах прямого действия используется энергия управляемого объекта. К ним относятся простейшие системы стабилизации (уровня, расхода, давления и т.п.), в которых воспринимающий элемент через рычажную систему непосредственно действует на исполнительный орган (заслонку, клапан и т.д.). В системах непрямого действия управляющее воздействие создаётся за счёт энергии дополнительного источника.

4.1. Системы автоматической стабилизации,

программного регулирования и

следящие системы. 

    Системы автоматического регулирования в зависимости от характера изменения управляющего воздействия делятся на три касса. Различают системы автоматической стабилизации, системы программного регулирования и следящие системы.

    Системы автоматической стабилизации характеризуются тем, что в процессе работы системы управляющее воздействие остаётся величиной постоянной.

    Основной задачей системы автоматической стабилизации является поддержание на постоянном уровне с допустимой ошибкой регулируемой величины независимо от действующих возмущений. Действующие возмущения

вызывают отклонение регулируемой величины от предписанного ей значения. Отклонением регулируемой величины называется разность между значением регулируемой величины в данный момент времени и её значением, принятым за начало отсчёта.

    Понятие отклонения регулируемой величины является характерным для систем автоматической стабилизации и позволяет дать качественную оценку динамическим свойствам систем этого класса

    Системами автоматической стабилизации являются различного рода САР, предназначенные для регулирования скорости, напряжения, температуры, давления; например, стабилизатор курса самолёта и т.д.

    Системы программного регулирования отличаются тем, что управляющее воздействие изменяется по заранее установленному закону в функции времени или координат системы.

    О точности воспроизведения управляющего воздействия на выходе системы воспроизведения судят по величине ошибки, которая определяется разность между управляющим воздействием и регулируемой величиной в данный момент времени.

    Примером систем программного регулирования могут служить системы управления копировально-фрезерным станком.

    В следящих системах управляющее воздействие также является величиной переменной, но математическое описание его во времени не может быть установлено, так как источником сигнала служит внешнее явление, закон изменения которого заранее неизвестен. В качестве примера следящей системы можно указать на радиолокационную станцию автоматического сопровождения самолёта.

    Так как следящие системы предназначены для воспроизведения на выходе управляющего воздействия с возможно большей точностью, то ошибка, так же как и в случае систем программного регулирования, является той характеристикой, по которой можно судить о динамических свойствах следящей системы. Ошибка в следящих системах, как и в системах программного регулирования, является сигналом, в зависимости от величины которого осуществляется управление исполнительным двигателем. 
 

4.2. Основные элементы систем автоматического регулирования. 

    Система автоматического регулирования представляет собой комплекс, состоящий из регулируемого объекта и регулятора. По характеру используемых элементов и функциям, которые они выполняют, системы автоматической стабилизации, следящие системы и системы программного регулирования принципиальных различий не имеют.