Алгоритмы функционирования АСУ

 

В сельскохозяйственном производстве исполь­зуется множество машин, установок, предназначенных для выполнения разнообразных функций. Управление машиной направлено на достижение определенной цели, для которой эта машина создана.

Совокупность правил, предписаний или математических зависимостей, определяющих последовательность измене­ния выходной величины, соответствующее нормальному функционированию объекта, называется алгоритмом функ­ционирования (АФ). Он отражает и представляет фактическую цель управления и определяется на основе технологических, экономических и других требований изменения выходной величины объекта в процессе его функциониро­вания.

Рассмотрим основные алгоритмы функционирования.

1. Стабилизация – это АФ, при котором выходная величина объекта поддерживается неизменной. АСУ, в которых реализуется этот АФ, называются системами ста­билизации. В системах стабилизации y (t) = const.

Управляющее устройство, осуществляющее стабилиза­цию выходной величины объекта, называется автоматическим регулятором.

В качестве примера рассмотрим систему стабилизации частоты вращения вала теплового двигателя.

Схема установки показана на рисунке 2.1, а. Управляе­мый объект — двигатель и рабочая машина. Дроссельная заслонка Д служит органом управления. Управляемая величина объекта – частота вращения вала Q зависит от угла открытия заслонки и от нагрузки, создаваемой рабочей машиной на вал двигателя.

Рис. 2.1 – Система стабилизации частоты вращения вала:

а – теплового двигателя; б – электрического двигателя.

 

Автоматическое управляющее устройство (регулятор) состоит из центробежного измерителя частоты вращения вала Ц, соединенного через механический редуктор с валом двигателя. Системой рычагов центробежный измеритель Ц соединен с дроссельной заслонкой Д.

Система стабилизации частоты вращения работает следующим образом. При повышении частоты вращения вала Q под действием центробежной силы грузы центробежного измерителя Д расходятся, сжимают пружину П и перемещают шток Ш вверх. Через рычаг Р шток передает движение заслонке Д, уменьшая поступление горючей смеси в рабочие цилиндры двигателя. В результате этого частота вала двига­теля и рабочей машины уменьшается и устанавливается близкой к перво­начальной.

Первоначальная частота вращения задается начальным углом от­крытия дроссельной заслонки и сжатием пружины центробежного из­мерителя частоты вращения вала. Для этой цели предусмотрена специ­альная ручка установки задания.

 

2. Программное управление – это АФ, при котором выходная величина объекта изменяется по заранее предусмотренной программе. Системы, реализующие этот АФ, называются программными. Программа может быть задана во времени (временное программное управление) и в пространстве (пространственное программное управление).

Основное отличие систем программного управления от систем стабилизации состоит в том, что в системах програм­много управления главной задачей является воспроизве­дение программы управления с заданной точностью.

Программа задается задатчиком, который выдает последовательность команд в соответствии с требуемым АФ объекта в виде x_o (t).

При задании программы во времени в качестве задатчика применяют программное реле времени или часовой меха­низм, перемещающий задающий потенциометр или другой задатчик регулятора в соответствии с требуемой программой изменения выходной величины y (t)объекта.

Пространственное программное управление используется для движения по определенной траектории в пространстве: например, движение фрезы по заданному контуру в станке с программным управлением. Программа в этом случае может быть задана в виде шаблона, по которому пере­мещается копир. В станках с числовым программным управлением программа задается в виде чисел, определяющих координаты обработки детали.

Программно задается также время включения и отключения искусственного освещения в теплицах, птичниках, изменение освещенности при создании искусственного «за­ката» и «рассвета» и т. п.

Систему программного управления можно рассматривать как совокупность системы стабилизации и программного за­дающего устройства.

3. Следящие системы. АФ следящей системы заключает­ся в том, что выходная величина должна повторять изме­нение входной величины, причем закон изменения последней заранее неизвестен. Следящая система представляет собой усилитель мощности, и ее основная задача – точно воспроизводить входную величину при наличии возмущений. Наиболее часто встречаются следящие системы для вос­производства угла, частоты вращения, момента, напряже­ния, тока и т. п.

Следящую систему можно рассматривать так же, как совокупность системы стабилизации и специального пре­образователя, изменяющего задание в зависимости от слу­чайного изменения некоторой величины. Например, в пропашных орудиях следящая система используется для уп­равления положением рабочих органов в зависимости от направления рядков растений. Специальное устройство – копир следит за направлением рядков и задает требуемое положение пропашных органов, чтобы они не повреждали растений.

В последнее время в технических системах применяются более сложные (тонкие) АФ, такие как поиск экстремума показателя качества, оптимальное управление, самоприспособление (адаптация).

4. Алгоритм поиска экстремума предполагает отыскание и поддержание выходной переменной УО при изменении состояния объекта и возмущений.

Примером системы алгоритма поиска экстремума может служить теплогенератор, статическая характеристика которого имеет экстремум температуры топочных газов при данном расходе топлива. Для поддержания экстремума температуры необходимо поддерживать расход воздуха и топ­лива строго постоянными при отсутствии неконтролируемых возмущений. Но в реальных условиях у теплогенератора, как и у любого объекта, существуют неконтролируемые возмущения, которые заранее учесть практически невозможно (например, изменение калорийности топлива, подсосы воздуха и т. п.) и которые вызывают отклонение тем­пературы от ее максимального значения. Под действием возмущения точка экстремума температуры будет смещать­ся. Чтобы вернуть систему к экстремуму, следует воздействовать на управляющий орган. Один из способов опреде­ления направления воздействия основан на определении знака и значения производной dy/du или dl/dt. В точке экстремума скорость изменения выходной величины равна нулю при значении управляющего воздействия и = и _опт. Такая система работает как обычная стабилизирующая система, у которой заданием является величина dy/du = 0.

5. Алгоритм оптимального управления предполагает достижение наилучших в определенном смысле условий работы УО в переходном режиме при наличии ограничений на входные, выходные величины и переменные состояния объекта. Такими условиями могут быть, например, минимальные затраты энергии, быстродействие и др.

Показатель эффективности выражается некоторым функционалом от входных и выходных переменных и от времени с учетом ограничений. Примером алгоритма оптимального управления может быть изменение температуры в помещении от одного значения до другого за минимальное время при ограниченных затратах энергии или изменение температуры при минимальных затратах энергии за ограниченное время.

6. Алгоритм адаптации предполагает такое изменение выходных величин УО, при которых сохраняется заданное качество работы объекта. При этом система может изменять свои параметры и структуру. Примером самоприспосабливающейся системы может быть система, обеспечивающая изменение режима работы тракторного агрегата при изменении условий работы: пахоты на неровном рельефе, на почвах с различными механическими свойствами и т. п.

Для выполнения заданного АФ управляемого объекта должны соответствующим образом формироваться и управляющие воздействия.

Правило формирования последовательности управляющих воздействий, обеспечивающих выполнение АФ управляемого объекта с требуемой точностью, называется алгоритмом управления.

7. Алгоритм управления зависит как от АФ, так и от динамических свойств УО. Эта связь может быть представлена различными математическими зависимостями. В общем случае

u(t) = A [ y (t), f (t)],

где А – оператор, определяющий вид зависимости.

 

 

Лекция 3