Функциональные схемы и способы классификации систем

Лекция 1

 

Введение

Системы автоматического управления (САУ) уже давно (более века) заняли свое заслуженное место в науке и повседневной практике человечества.

Классификация существующих систем постоянно расширяется. Возникают новые классы и типы систем управления многочисленными объектами и технологическими процессами. Сфера применения автоматических средств в настоящее время неуклонно растет.

 

Принципы действия и способы классификации систем

1.1 Принципы действия систем

Теория автоматического управления (ТАУ) занимается изучением свойств САУ и разработкой методов их анализа и синтеза.

Динамическая система – совокупность элементов (устройств), состояние которой определяется внутренними связями, взаимодействием с внешней средой и начальным состоянием.

Движение системы характеризуется процессом изменения её переменных во времени и пространстве.

Выходные переменные x_i(t), управляющие воздействия u_j(t) и возмущения f_k(t) можно рассматривать как компоненты векторов, записанных в виде матриц-столбцов

x₁(t)u₁(t) f₁(t)

… … …

x(t) = x_i(t),u(t) = u_j(t),f(t) = f_k(t).

… … …

x_n(t) u_m(t) f_r(t)

 

Если число входных и (или) выходных переменных системы превышает единицу, то систему называют многомерной.

Системы автоматического управления включают объект управления (ОУ) и управляющее устройство (УУ) (регулятор).

 

Регулирование – поддержание постоянными или изменяющимися по заданному закону управляемых переменных.

Управление – более общий термин; включает регулирование, стабилизацию, слежение, наведение.

По принципу формирования управляющего воздействия системы делятся на разомкнутые, замкнутые и комбинированные (см. рисунок).

 

Цель управления в замкнутой системе – устранение ошибки управления e(t)=g(t) – x(t).

В зависимости от вида задающего воздействия g(t) САУ делятся на:

1.) Системы стабилизации - g(t)=const.

Цель – поддержание постоянного значения управляемой переменной x(t) (пример – автопилот)

2.) Системы программного управления, когда g(t) – заданная функция времени (программа)

Цель – изменение x(t) по заданному закону [ g(t)=given (program(me))].

3.) Следящие системы, когда g(t) – заранее неизвестная функция времени;

Цель - изменение x(t) в соответствии с g(t)[ g(t)=var].

Пример САУ – система управления движением самолета по курсу (тангажу, крену); состав: гироскопический датчик – усилительно-преобразующее устройство – исполнительный механизм (рулевая машина) – воздушный руль.

С применением данной САУ в частности можно:

1) Поддерживать с помощью автопилота курс неизменным (режим стабилизации)

2) Наводить самолет с помощью оптических или радиолокационных устройств на цель (следящая система).

Функциональные схемы и способы классификации систем

Функциональная схема отражает состав и порядок взаимодействия входящих в САУ элементов.

 

На рисунках обозначено:

ЗЭ – задающий элемент, ЧЭ – чувствительный элемент;

УПУ – усилительно-преобразующее устройство;

ПЭ – преобразующий элемент;

У – усилитель (суммирует и усиливает сигналы);

УЭ – управляющий элемент;

РО – регулирующий орган;

КУ – корректирующее устройство;

ИМ – исполнительный механизм.

Как правило, элементы САУ обладают так называемым детектирующимсвойством (однонаправленность действия) и действуют независимо друг от друга.

Многомерными называются системы, имеющие несколько входов и выходов, при этом число возмущающих воздействий может быть любым. Они, как правило всегда многоконтурные.

 

 

На рисунке представлена структурная схема двухконтурной системы (обозначения: ОК – основные каналы, ПС – перекрестные связи).

Многомерные системы подразделяются на САУ несвязанного и связанного управления. За счет введения дополнительных связей можно исключить взаимное влияние управляемых переменных (автономное управление).

Пример двумерной системы – САУ координированным разворотом самолета, в которой при изменении заданного курса полета одновременно с отклонением руля направления отклоняются и элероны для соответствующего изменения угла крена.

По характеру изменения во времени действующих сигналов САУ делятся на системы непрерывного и дискретного действия.

Системы автоматического управления дискретного действия, в свою очередь, подразделяются на релейные, импульсные и цифровые.

 

Возможны способы классификации САУ и по другим признакам (по функциональному назначению, алгоритмам управления, количеству используемой информации и др.).

В качестве возможной классификации САУ можно предложить классификацию по признаку – количество начальной (априорной) и рабочей информации о состоянии управляемой системы.

 

На рисунке обозначены системы:

А – экстремального регулирования, Б – с самонастраивающимися КУ,

В – самоорганизующиеся, Г – следящие системы, Д – системы программного регулирования, Е – стабилизирующие, Ж – системы компенсации,

З – разомкнутые системы программного управления (механические станки с программным управлением), И – САР с разомкнутыми цепями настройки КУ,

К - САР с замкнутыми цепями настройки КУ, Л – САР с экстремальной настройкой КУ, М – системы с набором шаблонных решений, Н – системы с автоматическим поиском решений; ИСУ – интеллектуальные системы управления, ЭСУ – экспертные системы управления, ОНС – обучаемые нейронные сети, КУ – корректирующие устройства.

По виду уравнений движения (алгебраических, дифференциальных, интегральных, конечно разностных и др.) САУ делятся на линейные и нелинейные. Для линейных систем справедлив так называемый «принцип суперпозиции» (сложения отдельных воздействий).

В зависимости от факта изменения параметров во времени системы делятся на стационарные и нестационарные.