САУ по видам используемой энергии

Структурная схема одноконтурной САУ промышленным объектом управления приведена на рис. 1.1. Основными элементами ее являются: АР - автоматический регулятор, УМ - усилитель мощности, ИМ - исполнительный механизм, РО - регулируемый орган, СОУ - собственно объект управления, ИПУ - измерительно-преобразовательное устройство, ЗУ - задающее устройство, ЭС - элемент сравнения.

Рис.1.1. Функциональная схема САУ.

Координаты (переменные) системы:
g(t) - задающее воздействие;
y(t) - управляемая (регулируемая) величина;
f(t) - возмущающее воздействие;
е(t) - рассогласование (ошибка);
u(t) - управляющее воздействие.

Характерной особенностью схемы является наличие ИПУ, обеспечивающего работу автоматического регулятора со стандартными значениями тока или напряжения. Измерительно-преобразовательное устройство выполняет следующие функции: преобразует нестандартный входной сигнал в стандартный выходной; осуществляет фильтрацию входного сигнала; осуществляет линеаризацию статической характеристики датчика с целью получения линейного диапазона.

Для расчетных целей исходную схему упрощают до схемы, включающей в себя только АР - регулятор, Э -элемент сравнения и ОУ - объект управления. Здесь под объектом управления уже понимается неизменяемая часть системы, состоящая из измерительно-преобразовательного устройства, исполнительного механизма, регулирующего органа и собственно объекта управления.
По количеству входных и выходных величин и их взаимосвязи объекты делятся на одномерные (один вход и один выход) и многомерные. Последние могут быть многосвязными - когда наблюдается взаимное влияние каналов регулирования друг на друга, либо несвязные - взаимосвязь между каналами которых мала.
Важным свойством также является поведение параметров системы во времени.
Если в период эксплуатации параметры являются неизменными, то система считается стационарной, в противном случае - нестационарной, например, переменный момент инерции электропривода, потокосцепление в двигателе и т.д. Кроме того, особо выделяются системы с распределенными параметрами, т.е. такие системы, которые содержат распределенные в пространстве элементы, например, длинные электрические линии и т.д.
В зависимости от основной цели задачи управления САР классифицируются следующим образом: системы стабилизации, система программного управления, следящие системы.

В системах стабилизации рабочий параметр объекта (регулируемая величина) поддерживается постоянным во времени при постоянном задании. В системах программного управления рабочий параметр объекта изменяется во времени по заранее известному закону, а соответствии с которым изменяется задание.
В следящих системах рабочий параметр объекта изменяется во времени по заранее неизвестному закону, который определяется каким-то внешним независимым процессом.
В зависимости от количества регулируемых величин системы могут быть одномерными (одна регулируемая величина) или многомерными (несколько регулируемых величин).
По свойствам ошибки (отклонения) в установившемся режиме различают статические и астатические системы. Свойство астатизма системы рассматривают по отношению к конкретному воздействию.
Система, в которой величина установившейся ошибки зависит то величины возмущения при постоянном задании называется статической по возмущению. Если установившаяся ошибка не зависит от величины возмущения, то система является астатической 1-ого порядка. Если установившаяся ошибка не зависит от первой производной возмущающего воздействия, то система является астатической 2-го порядка. Кроме того, различают статизм и астатизм по задающему воздействию. При этом возмущение считается постоянным и установившаяся ошибка рассматривается в зависимости от величины задающего воздействия.
Для повышения показателей работы САУ применяется одно- и много-контурное регулирование с использованием жестких (действуют как во время переходного процесса, так и в установившемся режиме) и гибких (действует только во время переходного процесса) обратных связей.

В зависимости от способов формирования управляющего воздействия различают следующие принципы управления: по возмущению; по отклонению управляемой величины от требуемого значения; принцип комбинированного управления.
Система с принципом управления по возмущению является разомкнутой. Принцип управления по отклонению применяется в замкнутых САУ. В технике широко применяют САУ с принципом комбинированного управления, сочетающим принцип управления по отклонению (корректирующее устройство КУ2) и по возмущению (корректирующее устройство КУ1). (рис.1.2) Благодаря такой структуре системы обладают следующими свойствами:
- с помощью компенсационных связей (КУ1) возможно достижение полной компенсации ошибок (инвариантности), вызываемых основными возмущающими и задающими воздействиями;
- наряду с возможностью компенсации ошибок от основных воздействий снижаются ошибки от второстепенных воздействий с помощью обратной связи (КУ2);
- при нарушении условий компенсации ошибка уменьшается замкнутой системой;
- благодаря наличию разомкнутых компенсационных каналов в комбинированной системе не так остро стоит проблема устойчивости, как в замкнутых САУ.

Рис.1.2. Функциональная схема комбинированной САУ

Теория автоматического регулирования является наиболее старым и лучше остальных развитым разделом общей теории управления. Современный этап развития кибернетики как науки об управлении характеризуется бурным развития общей теории управления, объединяющим в себе все аспекты управления. Наиболее важными направлениями ее являются теория оптимальных и адаптивных систем управления, теория сложных систем. Адаптивные системы разделяются на экстремальные, самонастраивающиеся и самоорганизующиеся.
Теория оптимальных систем занимается вопросами построения автоматических систем, обеспечивающих оптимальные, т.е. наилучшие в определенном смысле результаты. Иногда кибернетику определяют как науку об оптимальном (т. е. наилучшем) управлении.
В любой автоматической системе управляющее устройство решает в общем случае две задачи:
1) на основании приходящей информации "выясняет" свойства и состояние управляемого объекта;
2) на основе этих данных определяет, какие действия необходимы для управления. В простейших системах решение одной из этих задач может отсутствовать или иметь примитивную форму.

Автоматическое изменение способа функционирования управляющего устройства, называемое адаптацией или настройкой самоприспосабливающейся системы, требует дополнительных устройств, называемых устройствами или контурами адаптации. В общем виде схема адаптивной системы приведена на рис.1. 3. На основании оценки внешних условий работы и свойств объекта управляющее устройство адаптации УУа изменяет структуру и параметры основного управляющего устройства УУ₀, обеспечивая требуемое значение критерия качества J(g,y,u,f). Устройство адаптации определяет в зависимости от алгоритма работы отклонение критерия J от заданного или экстремального значения.

Рис. 1.3. Функциональная схема адаптивной системы

Таким образом, УУ, решает задачи:
а) получения информации о воздействиях и динамических свойствах объекта управления в процессе его работы (получение рабочей или текущей информации) - задача идентификации, или опознавания;
б) формирования из полученной информации значения критерия качества системы J (текущего критерия адаптации);
в) сравнения текущего значения критерия качества с эталонным или экстремальным значением и вычисления соответствующего управляющего воздействия;
г) изменения параметров или структуры основного управляющего устройства УУ₀ для приведения критерия качества к требуемому значению.
Критериями качества в зависимости от назначения системы могут быть точность управления (например, минимум СКО), быстродействие, какой-либо показатель эффективности управления (например, коэффициент полезного действия, расход энергии на управление и др.).

Адаптивные системы, у которых адаптация осуществляется изменением значений параметров управляющего устройства, называются самонастраивающимися; изменением значений параметров и структуры управляющего устройства - самоорганизующимися. В самоорганизующихся САУ адаптация осуществляется путем выбора структуры, т. е выбора корректирующего звена или их комбинации из набора определенного числа звеньев изменяемой части основного управляющего устройства, а затем происходит самонастройка параметров выбранной структуры. Такие системы обеспечивают требуемое качество управления при более широких диапазонах изменения свойств объекта и внешних условиях, чем самонастраивающиеся, но более сложны.
САУ целесообразно классифицировать исходя из наиболее общих признаков и их свойств. На рис 1.4. приведена одна из возможных классификаций.
В зависимости от характера электрических сигналов системы могут быть: непрерывными, с гармоническими сигналами и дискретные. Дискретные в свою очередь, могут быть релейными, импульсными или цифровыми. Вследствие бурного развития микроэлектроники широкое распространение получили цифровые системы управления, обладающие прежде всего высокой точностью.

Рис.1.4. Классификация САУ

В зависимости от характера внешних воздействий (задающего и возмущающего) различают детерминированные и стохастические системы. В детерминированных САР внешние воздействия имеют вид постоянных функций времени. В стохастических системах внешние воздействия имеют вид случайных функций.
По виду используемой энергии:
а) электрические системы, обладают удобством и легкостью обработки и передачи информации;
б) пневматические системы, используют энергию сжатого газа и обеспечивают высокое быстродействие;
в) гидравлические системы, используют энергию жидкости и обеспечивают высокую мощность;