Модулі систем управління виконавчого рівня

Виконавчий рівень на виконавчому шарі зазвичай реалізується з використанням контроллерів із зворотним зв'язком, тобто модуль управління є замкнутим на приводному(виконавчому) рівні. Принцип розімкненого управління нині використовується тільки в системах управління кроковими двигунами(у графічних пристроях, плоттерах, поворотних столах і інших пристроях, які не випробовують істотних обурюючих дій).

У устаткуванні автоматизованого машинобудування(металорізальні верстати, технологічні роботи) забезпечити прийнятну точність руху можна тільки використовуючи замкнуті системи управління. При цьому на контроллерах найчастіше реалізується алгоритм ПИД-регулювання, коли вихідний сигнал описується вираженням

де KП, Д До, І До - коефіцієнти, відповідно, пропорційною, диференціальною і інтегральною складових сигналу e(t); e(t) - сигнал помилки в цьому контурі управління(наприклад, положення, швидкості або моменту, що крутить).

У конкретних випадках деякі з цих коефіцієнтів можна покласти рівними нулю, фактично застосовуючи спрощені алгоритми управління(П-алгоритм, Пі-алгоритм, ПД-алгоритм). Популярність ПІД-регуляторів можна якоюсь мірою пояснити їх робастностью(здатністю зберігати стійкість при досить малих змінах параметрів об'єкту) в найрізноманітніших умовах роботи і з іншого боку їх функціональною простотою. Щоб застосувати такий регулятор в системі управління конкретним об'єктом, потрібно просто настроїти три параметри KП, Д До і І До.

Загальна структурна схема системи управління, що реалізовується типовим контроллером, представлена на Рис. 2.29. Для завдань автоматизованого машинобудування вхідними діями для системи можуть бути, залежно від поставленої мети управління, сигнали по положенню, швидкості, що управляють, зусиллю, що розвивається, або по усіх трьом разом. У системі реалізується принцип замкнутого управління, що передбачає наявність відповідних зворотних зв'язків(вимірів) по фазових координатах системи.

Рис. 2.29. Структурна схема системи управління u(t) - управління

Система(регулятор), що управляє, автоматично визначає потрібний закон управління за допомогою аналізу поведінки об'єкту при поточному управлінні, називається адаптивною. Теорія адаптивного управління зародилася у кінці 40-х - початку 50-х років ХХ століття, проте інтерес до цієї області не слабшає і до цього дня, що підтверджується численними публікаціями, симпозіумами і конференціями ИФАК(міжнародна федерація по автоматичному управлінню), присвяченими цій тематиці.

Адаптивні системи можна розділити на два великі класи: що самоорганизующиеся і самоналагоджувальні.

У системах, що самоорганизующихся, в процесі функціонування відбувається формування алгоритму управління(його структури і параметрів), що дозволяє оптимізувати систему з точки зору поставленої мети управління(ЦУ). Такого роду завдання виникає, наприклад, в умовах зміни структури і параметрів об'єкту управління залежно від режиму функціонування, коли апріорної інформації недостатньо для визначення поточного режиму. При широкому класі можливих структур об'єкту важко сподіватися на вибір єдиної структури алгоритму управління, здатної забезпечити замкнутій системі досягнення ЦУ в усіх режимах функціонування. Таким чином, йдеться про синтез при вільній структурі регулятора. Очевидна складність постановки завдання не дозволяє сподіватися на прості алгоритми її рішення, а, отже, і на широке впровадження нині таких систем в практику.

Завдання істотно спрощується, якщо структура об'єкту управління відома і незмінна, а поведінка залежить від ряду невідомих параметрів.

Це завдання вирішується в класі самоналагоджувальних систем(СНС), в яких структура регулятора задана(заздалегідь вибрана) і вимагається визначити лише алгоритм налаштування його коефіцієнтів(алгоритм адаптації).

СНС діляться на два підкласи: пошукові і беспоисковые. У пошукових СНС мінімум(чи максимум) міри якості(продуктивність установки, витрата палива і т. д.) шукається за допомогою спеціально організованих пошукових сигналів. Простими пошуковими системами є більшість екстремальних систем, в яких недолік апріорної інформації заповнюється за рахунок поточної інформації, що отримується у вигляді реакції об'єкту на пошукові(пробні, тестові) дії, що штучно вводяться.

У беспоисковых СНС в явному або неявному виді є модель з бажаними динамічними характеристиками. Завдання алгоритму адаптації полягає в налаштуванні коефіцієнтів регулятора так, щоб звести розузгодження між об'єктом управління і моделлю до нуля. Таке управління називають прямим адаптивним управлінням, а системи - адаптивними системами з еталонною моделлю.

У разі непрямого адаптивного управління спочатку проводять ідентифікацію об'єкту, а потім визначають відповідні коефіцієнти регулятора. Такі регулятори називаються самоналагоджувальними.

При прямому адаптивному управлінні контури адаптації працюють по замкнутому циклу. Це дозволяє парирувати зміни параметрів об'єкту і регулятора. Проте кожен контур самонастройки підвищує порядок системи як мінімум на одиницю і при цьому істотно впливає на загальну динаміку замкнутої системи.

У разі непрямого адаптивного управління контури самонастройки працюють по розімкненому циклу і, отже, не впливають на динаміку системи. Проте усі помилки ідентифікації, відходи параметрів об'єкту і регулятора істотно впливають на точність управління.

У беспоисковых самоналагоджувальних системах еталонна модель може бути реалізована у вигляді реальної динамічної ланки(явна модель) або бути присутнім у вигляді деякого еталонного управління, що зв'язує регульовані змінні і їх похідні(неявна модель). У неявній моделі коефіцієнти еталонного рівняння є параметрами алгоритму адаптації.