Разработка алгоритмов синтеза управляющей части цифровой системы

Задача синтеза системы управления состоит в определении ее структуры и расчете настроек регуляторов и компенсаторов на основе априорной информации о динамике объекта, обеспечивающих заданные статические и динамические свойства системы.

Простейшим видом многосвязных систем можно считать системы несвязанного управления, которые проще при синтезе, настройке и эксплуатации и реализуемы даже в тех случаях, когда системы связанного управления технически неосуществимы [11] (например, автономные). Однако они восприимчивы к возмущениям, распространяющимся по основным и перекрестным каналам. При этом в системах с сильными внутренними связями область устойчивого управления резко сокращается. Если при расчете оптимальных настроек регуляторов такой системы не учитывать влияние перекрестных каналов, то она будет неустойчивой. Для сохранения устойчивости несвязанной системы приходится уменьшать коэффициенты усиления регуляторов, значительно снижая скорость их действия, что резко ухудшает качество управления.

Как ранее было сказано при сильных внутренних связях возможность получить высокое качество управления нужно искать не корректируя настройку не связанных между собой регуляторов, а развязывая внутренние связи по перекрестным каналам путем создания систем связанного управления, вводя дополнительные внешние компенсирующие связи между регуляторами. Накладывать эти связи можно в различных местах: между входами или выходами регуляторов или непосредственно между регулирующими органами; могут применяться смешанные связи и т.д.

Теоретической основой для разработки рациональных схем связанного управления является принцип автономности, предложенный И.Н. Вознесенским в 1934 г.: вводя внешние компенсирующие связи между регуляторами, можно добиться расчленения сложной системы со многими взаимосвязанными параметрами на ряд простейших сепаратных систем, обладающих одним управляемым параметром каждая. В результате теоретически может быть достигнута полная компенсация внутренних динамических связей между выходами. В этом случае изменение одного управляемого параметра не вызывает изменения остальных, если другие источники возмущающих воздействий стабилизированы. Однако автономные системы имеют ряд недостатков [12] (в частности они не всегда технически реализуемы).

Исходя из сказанного, рассмотрим два основных подхода к расчету управляющей части при синтезе многомерных систем с перекрестными связями:

1. На основе использования принципа автономности. При этом предварительно рассчитываются компенсаторы, после чего выполняется одновременная оптимизация всех основных регуляторов в связанной системе управления;

2. Одновременная оптимизация регуляторов и компенсаторов системы без использования принципа автономности (например, одним из численных методов) при учете влияния всех регулируемых величин и их взаимной связи.

При первом подходе расчет регуляторов может быть выполнен одним из двух вариантов:

1.1. Оптимизация всех основных регуляторов в связанной системе управления по моделям основных и перекрестных каналов многомерного объекта;

1.2. Оптимизация основных регуляторов в одноконтурных системах управления по моделям соответствующих эквивалентных объектов на основе декомпозиции связанной системы: представление сложной системы в виде совокупности сепаратных одноконтурных с одним регулируемым параметром, включающих соответствующие регулятор и эквивалентный объект.

Синтез многомерных систем невозможно рассматривать изолировано от внешних условий, проявляющихся в виде возмущающих факторов. Поэтому необходимо учитывать их влияние на управляемые величины введением компенсирующих воздействий с целью стабилизации или целенаправленного изменения управляемых координат.

Одним из способов, снижающих это влияние, является наличие самой обратной связи. Однако замкнутые системы не препятствуют проникновению в ОУ внешних возмущений, а только реагируют на их последствия; в результате закон изменения задания точно не выполняется.

В этом случае получить наилучшее качество управления объектом позволяет синтез и использование связно-комбинированных цифровых систем управления (СКЦСУ), существенно снижающих, а иногда и полностью исключающих влияние на выходную величину не только перекрестных каналов, но и внешних возмущений за счет применения соответствующих компенсаторов. При этом разработка наиболее эффективных систем этого класса связана с расчетом компенсаторов возмущений на основе принципа инвариантности, предложенного в 1938 г. Щипановым Г.В. Однако, наличие ряда недостатков [41,45], ограничивающих техническую реализацию инвариантных компенсаторов и, следовательно, систем, позволяет сформулировать следующие подходы к их синтезу:

1. Синтез компенсаторов на основе использования принципа инвариантности;

2. Оптимизация компенсаторов возмущения системы одним из численных методов.

Далее рассмотрим подробное описание указанных подходов и вариантов синтеза и расчет управляющих частей связанных и связно-комбинированных ЦСУ.