Обобщённая структура автоматической системы

Система автоматического управления в целом состоит из объекта управления ОУ и устройства управления УУ (рис. 10). Объект управления характеризуется выходными управляемыми величинами y₁, y₂,…y _n. Значения этих величин в конкретный момент времени определяют текущее состояние объекта управления. Кроме того, объект имеет входы управления, на которые подаются управляющие воздействия u₁, u₂,…u_n, целенаправленно изменяющие состояние объекта.

Целью управления является обеспечение заданного на текущий момент времени состояния объекта управления. Устройство управления УУ, исходя из заданного состояния объекта ОУ, определяемого задающими величинами (уставками) v ₁, v ₂... v _n, и фактического его состояния, определяемого выходными величинами y ₁, y ₂... y _n ОУ, вырабатывает управляющие воздействия u ₁, u ₂... u_n на объект управления таким образом, чтобы привести его в заданное состояние:

y₁ = v₁, y₂ = v₂, … y_n = v_n.

При этом на объект воздействует совокупность возмущений, выводящих его из заданного состояния. Все возмущения можно разделить на контролируемые g₁, g₂... g_m и неконтролируемые f₁, f₂... f_k (f – помехи, g – нагрузки). Возмущения нарушают работу объекта и приводят к нежелательным изменениям y₁, y₂... y_n. Задача УУ – обеспечить в этих условиях требуемые значения y₁, y₂... y_n.

Таким образом, система автоматического управления (САУ) включает в свой состав устройство управления и объект управления. При автоматическом регулировании вместо САУ рассматривается система автоматического регулирования САР.

Часто объект управления характеризуется одной выходной величиной и одним входом управления. В этом случае говорят об одном контуре управления (регулирования) и объект относят к простым объектам.

В общем случае объект управления может иметь много выходных величин и входов управления. Если каждый вход управления влияет только на одну выходную величину и изменение любой выходной величины объекта управления не влияет на состояние других выходов объекта, то каждый контур управления можно рассматривать обособленно и представить объект в виде совокупности соответствующего числа простых объектов.

Однако для ряда объектов с несколькими выходами изменение одной выходной величины приводит к изменению и других выходных величин. Выходные величины и входы управления у такого объекта взаимосвязаны. Объект в этом случае называют многосвязным объектом. Задача управления многосвязными объектами существенно усложняется.

При управлении простым объектом систему автоматического управления можно представить в виде обобщённой структуры (рис. 11).

Воздействие u(t) на объект управления, вырабатываемое УУ, называют управляющим воздействием. Воздействия g(t), f(t), не зависящие от УУ, называются возмущениями. Возмущения могут быть контролируемыми g(t) (нагрузки) и неконтролируемыми f(t) (помехи). Выходная величина объекта, по которой ведется управление, называется управляемой или регулируемой величиной.

Заданное значение управляемой величины определяется воздействием v(t), поступающим на вход устройства управления. Это воздействие называют задающим воздействием или уставкой. Формирует задающее воздействие специальное устройство – задатчик Зд.

В общем случае, воздействия и управляемые величины можно рассматривать как координаты многомерных векторов:

V(v₁,v₂,…v_n), U(u₁,u₂,…u_n), Y(y₁,y₂,…y_n), G(g₁,g₂,…g_m), F(f₁,f₂,…f_k).

Тогда объект управления можно математически описать выражением

,

где Ψ - некоторая нелинейная функция переменных U, G и F.

Все перечисленные величины описывают физические сигналы в реальной автоматической системе. Поскольку при функционировании системы сигналы в ней постоянно изменяются, то все величины будут являться функциями времени.

В структуре системы управления в этом случае действующие сигналы представляются в виде векторов, а для описания взаимосвязей сигналов используется математический аппарат матриц (рис. 12).

Устройство автоматического управления в случае автоматического регулирования называют автоматическим регулятором. В состав автоматического регулятора УУ входят: измерительное устройство ИУ, логическое (усилительно-преобразующее) устройство Р и исполнительный механизм ИМ
(рис. 13).

Измерительное устройство УУ необходимо для контроля состояния объекта управления. С его помощью измеряется управляемая величина и в системе управления формируется необходимая информация о состоянии объекта управления.

Логическое устройство Р сравнивает фактическое значение управляемой величины y(t) с заданным значением v(t) этой величины и по определённому алгоритму формирует сигнал управления, необходимый для устранения расхождения между этими величинами. Сигнал управления преобразуется в соответствующее физическое управляющее воздействие на объект управления с помощью исполнительного механизма. ИМ. Алгоритм формирования управляющего воздействия называют часто законом регулирования.