Автоматические системы

    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). 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 выше.

2. 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.

   2.1. 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.

     2.2.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, 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.

     2.3. 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.  
 
 
 

3. Классификация систем автоматического управления.

    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.

 3.1. 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.

    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.

    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.

3.2. 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.

    В соответствии с принципом  действия системы автоматического  регулирования можно выделить основные элементы, как правило, присутствующие во всех системах.

    Во всех трёх группах систем  управляющее воздействие сравнивается  с регулируемой величиной. Для  выполнения операции сравнения  применяются устройства, называемые  элементами сравнения. Управляющее воздействие и регулируемая величина, поступающие на два входа элемента сравнения, должны быть предварительно преобразованы и приведены к сигналам одного вида энергии и размерности. Эти операции выполняются измерительным элементом со стороны управляющего воздействия.

    В большинстве случаев непосредственное  использование выходного сигнала  элемента сравнения для приведения  в действие регулирующего органа  объекта не представляется возможным.  Поэтому возникает необходимость  в предварительном усилении сигнала как по величине, так и по мощности. Кроме того, часто необходимо осуществить и преобразование сигнала, связанное с формой представления воздействия, и перевод его из одного вида энергии в другой. Эти функции обычно выполняются тем или иным усилителем. Таким образом, в системах автоматического регулирования в числе основных устройств в большинстве случаев применяют усилительный элемент. 

    В практике могут встретиться случаи, когда применение усилителей не обязательно. При этом регулятор непосредственно действует на регулирующий орган и называется регулятор прямого действия. Автоматическая система с регулятором прямого действия называется системой прямого регулирования.

    При наличии усилителей регулирующее  устройство называется  регулятором непрямого действия. Автоматическая система с регулятором непрямого действия называется системой непрямого регулирования.

    Приведение в действие регулирующего  органа объекта обычно осуществляется  с помощью исполнительного элемента.

    В системе автоматического регулирования, составленной из объекта регулирования, элемента сравнения, усилителя и исполнительного элемента, динамические процессы могут протекать недостаточно качественно, по тем или иным причинам процесс регулирования может оказаться вообще неустойчивым. Для того чтобы система автоматического регулирования обладала устойчивым процессом и удовлетворяла требуемым условиям качества процесса регулирования, применяют корректирующие устройства.

    Таким образом, система автоматического  регулирования состоит из объекта регулирования и регулятора. Регулятор включает в себя такие основные элементы, как элемент сравнения, усилитель, исполнительный элемент и корректирующие устройства.

    Обычно системы автоматического  регулирования представляют в  виде структурных схем. Эта структурная схема может представлять все три группы систем, то есть системы автоматической стабилизации, следящие системы и системы программного регулирования. Есть некоторое различие в задающем элементе. Так, например, задающий элемент в системе автоматической стабилизации вырабатывает управляющее воздействие постоянной величины, которое называется установкой регулятора и с которой сравнивается  регулируемая величина при работе  системы. При работе схемы в режиме следящей системы задающий элемент должен обеспечить измерение управляющего сигнала, поступающего на следящую систему извне.

3.3. Статическое и астатическое регулирование.

    Системы автоматической стабилизации, следящие системы и системы  программного регулирования разделяют  на две группы: системы статические и системы астатические (не имеющие статической ошибки).

    Система автоматического регулирования  будет статической по отношению  к возмущающему воздействию, если  при стремлении возмущающего  воздействия к постоянной величине отклонения регулируемой величины также стремится к постоянной величине, отличной от нуля и зависящей от величины приложенного воздействия.