2014-02-17
530
(39.5)
Итак, наилучший график изменения ошибки e регулирования - экспонента.
В рассмотренном примере удалось найти решение обычными методами математического анализа. Это является редким исключением, так как решение задач оптимального управления достаточно сложное. В общем случае задачи оптимального управления решаются специальными методами: вариационного исчисления, динамического программирования, принципа максимума.
40. Основные понятия адаптивных САУ
При проектировании САУ, когда рассчитываются параметры настройки регуляторов, используются данные о всех элементах САУ, входных сигналах, возмущающих воздействиях. От полноты и достоверности указанных данных зависит реальное качество системы автоматики. При эксплуатации будут обеспеченны заложенные в проекте показатели качества, если параметры элементов САУ, все внешние сигналы будут оставаться постоянно такими, какими их использовали при проектировании САУ. На практике такой достоверности и стабильности обычно не бывает.
В проектах САУ используются не совсем достоверные данные, так как не все элементы имеют строгое математическое описание. Данные о части элементов САУ, чаще всего - по объектам управления, могут быть получены только в процессе эксплуатации. Поэтому по объектам и некоторым элементам в проекте закладываются приблизительные или наиболее вероятные характеристики. Также приблизительно известны внешние сигналы. Как правило, отклонения параметров элементов происходят случайно.
Для поддержания на должном уровне показателей качества в процессе эксплуатации производится подстройка параметров регулятора (см. рис.32.3), приспосабливаясь, таким образом, к реальным условиям эксплуатации. Такая приспосабливаемость САУ к условиям эксплуатации называется адаптацией. В обычных САУ (линейных, нелинейных, импульсных), и даже в оптимальных САУ операции подстройки регулятора проводятся вручную. В адаптивных САУ подстройки выполняются автоматически специальными блоками адаптации.
Адаптивные САУ по виду подстроек регулятора классифицируются на:
· СНС - самонастраивающиеся, когда изменяются только параметры настроек регулятора;
· самоорганизующиеся, когда изменяется структура регулятора;
· самоалгоритмизирующиеся, когда изменяется алгоритм работы регулятора.
Из названных видов лучше всего разработана теория СНС, хотя самые качественные самоалгоритмизирующиеся САУ.
По цели подстроек СНС классифицируются на САУ стабилизирующие показатели качества и экстремальные, которые обеспечивают работу автоматики с наивысшими значениями показателей качества.
Идея СНС состоит в том, что блоком адаптации постоянно определяется необходимость изменений параметров регуляторов и затем эти изменения выполняются. Возможно аналитическое определение необходимости и направления изменение настроек регуляторов. Однако это возможно при полном математическом описании всех элементов САУ. На практике чаще всего реализуются поисковые СНС. Работа поисковых СНС организована по типу, чем-то напоминающем работу САУ с обратными связями, а именно, оценивается только факт ухода показателей качества САУ от экстремальных значений без выяснения причин того, почему этот уход произошел.
Пусть функционал J некоторой САУ зависит только одного параметра р1. Работа блока адаптации СНС в этом случае поясняется построениями, приведенными на рис.40.1.
|
Пусть первоначально зависимость функционала качества от р1 задавалась графиком J1 и значение параметра р1 определялось линией 7-7. Из рисунка видно, что значение J1 не минимально. Однако в действующей САУ указанного рисунка нет, а есть только сигналы р1 и J1. Поэтому с линии 7-7 производится пробный шаг изменения р1 на величину Dp1 либо вправо, либо влево. Пусть наугад шаг сделан вправо так, что значение р1 оказалось на линии 8-8. Если при таком шаге значение J1 возросло, то значит шаг сделан неверный. Далее выполняется влево шаг на 2Dp1 на линию 6-6. Если на линии 6-6 значение функционала J1 стало меньше его значения на линии 7-7, то шаг сделан правильный. Далее выполнятся еще шаг Dp1 влево на линию 5-5 (как видно из рисунка - также верный), еще один шаг на линию 4-4 и, наконец на линию 3-3. С линии 3-3 будет сделан сначала один шаг вправо на линию 4-4 и затем еще шаг на линию 5-5. Затем будут снова шаги к линии 3-3. В САУ установятся колебательные изменения значения р1 вокруг линии 4-4, в которой значение функционала J1 наименьшее из возможных.
Если по какой-то причине зависимость функционала J от р1 изменится и примет форму линии J2, то линия 4-4, как видно из рисунка уже не соответствует минимум функционала. САУ об этом "узнает" в момент перехода на линию 3-3, на которой вместо ожидаемого как на графике J1 увеличения функционала будет его уменьшение, так как график J1 сменился ранее на график J2. Дальше САУ за несколько шагов определит новое значение р1 на линии 1-1, на которой будет минимум функционала. Следовательно, блок адаптации САУ непрерывно находится в поиске минимума функционала J и отслеживании изменения величины самого минимального значения J.
В принципе точно так же, как показано на рис.40.1 ищется минимум функционала J, который зависит от любого числа параметров 
настройки регулятора САУ.
Описанный алгоритм работы блока адаптации СНС похож на процедуру поиска наилучших настроек САУ, который мог бы выполнить, при необходимости, человек, не применяя технические средства автоматизации. В этой аналогии прослеживается "интеллект" адаптивной САУ.
На судах адаптивные САУ применяются в составе авторулевых. Объясняется это значительной изменчивостью параметров судна от условий и скорости плавания (рис.29.2), когда перестройка параметров регулятора диктуется не только достижением минимума функционала качества, но требованиями устойчивости движения судна (рис.32.3).
На рис.40.2 приведена структурная схема адаптивного авторулевого с эталонной моделью объекта управления - судна. На рисунке обозначены: АР - авторулевой, РМ - рулевая машинка, С - судно, МС - электронная модель судна, БА - блок адаптации, БИ - блок идентификации, a и g - заданный и фактический курсы судна; g M - эталонный курс судна, определенный на модели судна; h - выходной сигнал авторулевого; b - угол поворота рулевой машинки.
Сигнал b с рулевой машинки поступает одновременно на судно С и его модель МС. Реальное судно движется по курсу g, а модельное имитирует курс gM. Курс gM является эталонным, к которому должен стремиться истинный курс g. Разность dg эталонного и истинного курсов, которая в данной схеме является функционалом качества, поступает на блок адаптации БА, который вырабатывает сигналы перестройки параметров авторулевого так, чтобы величина dg была бы минимальной.
Для того, чтобы модель объекта управления была бы эталоном, необходимо иметь модель судна МС максимально приближенной по характеристикам к реальному судну. Это приближение выполняет блок идентификации (автоматического определения) БИ параметров реального судна.
В приведенной схеме адаптивного авторулевого действия происходят в следующей логической последовательности:
- при резком изменении условий движения судна, например, смене скорости движения, направления движения в условиях волнения моря и т.п. блокируется работа блока адаптации и в течение примерно 20 минут выполняется идентификация параметров судна;
- блоком идентификации определяются характеристики рыскания, бортовой и килевой качки, которые для блока адаптации будут служить сигналами помех;
- в качестве первого приближения модели судна принимается модель, рассчитанная по его паспортным гидродинамическим характеристикам или гидродинамическим характеристикам для предыдущего режима плавания;
- блоком идентификации определяются параметры реального судна за вычетом сигналов помех и корректируются параметры модели судна;
- рассчитывается эталонная функция курса gM по некоторому обобщенному функционалу качества движения судна (обычно такой функционал является "экономическим", например, удельный расход топлива на единицу пройденного пути).
После указанных действий восстанавливается схема адаптивного авторулевого и плавание проходит в условиях минимизации функционала dg.
Список использованной литературы
1. Судовая автоматика / А.М. Прохоренков, Ю.Г. Татьянченко, В.С. Солодов. – М.: Колос, 1992. – 448 с.
2. Власенко А.А., Стражмайстер В.А. Судовая электроавтоматика. – М.: Транспорт, 1983. – 368 с.
3. Кринецкий И.И. Судовая автоматика. – М.: Пищевая промышленность, 1978. – 440 с.
4. Основы теории автоматического регулирования / Под ред. В.И. Крутова. – М.: Машиностроение, 1984. – 368 с.
5. Онасенко В.С. Судовая автоматика. – М.: Транспорт, 1988. 271 с.
6. Березин С.Я., Тетюев Б.Я. Системы автоматического управления движением судна по курсу. – Л.: Судостроение, 1990. – 368 с.
7. Петров И.К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности. – М.: Пищевая промышленность, 1973. – 368 с.
8. Суевалов Л.Ф. Справочник по расчетам судовых автоматических систем. – Л.: Судостроение, 1989. – 408 с.
ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................3
1.Классификация систем автоматического управления. Принципы
автоматического управления.............................................................................3
ТЕОРИЯ ЛИНЕЙНЫХ САУ................................................................................6
2.Линеаризация уравнений элементов САУ. Преобразование Лапласа. Передаточная функция. Типовые воздействия и реакция на них............................................6
3.Методы расчёта и построения графиков переходных процессов и
функции веса.....................................................................................................10
4.Частотные характеристики линейных САУ....................................................14
5.Типовые звенья САУ........................................................................................17
6.Структурные схемы САУ и их преобразования.............................................21
7.Устойчивость линейных САУ. Определение допустимых настроек САУ.....24
8.Прямые показатели качества САУ. Расчёт ошибок регулирования..............28
9.Типовые законы регулирования и их влияние на показатели качества САУ..31
ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА САУ................................................................35
10.Датчики частоты вращения............................................................................35
11.Динамические характеристики центробежного датчика
частоты вращения..........................................................................................37
12.Датчики давления...........................................................................................39
13.Датчики уровня..............................................................................................42
14.Датчики расхода и счётчики количества вещества.......................................44
15.Датчики температуры....................................................................................47
16.Датчики перемещения и угла поворота........................................................49
17.Усилительные элементы. Гидравлический сервопривод прямого действия..52
18.Гидравлический сервопривод с жесткой обратной связью..........................54
19.Электрический сервопривод..........................................................................56
20.Регулирующие органы расхода....................................................................58
СУДОВЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ САУ...........................................................................61
21.Статические характеристики ГД судна.........................................................61
22.Динамические характеристики ГД.................................................................63
23.Переходный процесс ГД без регулятора......................................................65
24.Структурная схема САУ ГД с регулятором прямого действия.
Уравнение узла с датчиком скорости............................................................67
25.Полная система уравнений ГД с регулятором прямого действия...............70
26. Расчёт регуляторной характеристики ГД....................................................71
27. Анализ устойчивости САУ ГД с регулятором прямого действия..............74
28.Система дистанционного автоматического управления
главным двигателем (ДАУ ГД)......................................................................76
29.Обобщенная структурная схема САУ курсом судна.
Показатели качества САУ..............................................................................79
30.САУ курсом судна с авторулевым АИСТ в режимах "Простой" и
"Следящий"......................................................................................................81
31.САУ курсом судна с авторулевым АИСТ в режиме "Автомат"..................83
32.Анализ САУ курсом судна на устойчивость. Расчёт допустимых
параметров настроек авторулевого...............................................................86
НЕЛИНЕЙНЫЕ САУ..........................................................................................88
33.Нелинейные САУ. Динамические характеристики элементов
нелинейной САР уровня жидкости.................................................................88
34.Переходные процессы в двухпозиционной САР уровня жидкости.
Оптимизация настроек САР............................................................................90
35.Нелинейные САУ с трёхпозиционным реле..................................................93
36.Расчет автоколебаний гармоническим методом...........................................96
ИМПУЛЬСНЫЕ САУ.........................................................................................99
37.Достоинства импульсных САУ. Виды модуляции. Виды импульсных
элементов.........................................................................................................99
38.Импульсные регуляторы САУ.....................................................................101
ОПТИМАЛЬНЫЕ И АДАПТИВНЫЕ САУ.....................................................105
39.Основные понятия оптимальных САУ.........................................................105
40.Основные понятия адаптивных САУ............................................................108
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................................111
Ó Дворак Николай Маркович
Курс лекций по "Теории автоматического управления"
для студентов специальностей:
7.100302 "Эксплуатация судовых энергетических установок",
7.100301 "Судовождение"
Тираж ____экз. Подписано к печати ________
Заказ №_____ Объём ______п.л.
Изд-во "Керченский морской технологический институт"
334509 г. Керчь, ул. Орджоникидзе, 82
