Оценка качества работы систем

Проектирование любой автоматической системы регулирования (АСР) начинается с постановки требований к качеству ее работы. Эти требования диктуются необходимостью обеспечить определенный характер протекания процессов в объекте управления.

Так, угловая скорость w ротора двигателя, вращающего сушильные цилиндры бумагоделательной машины (БДМ), должна поддерживаться постоянной w_зад с допустимыми отклонениями Dw = w - w_зад не больше некоторой определенной величины Dw_доп., т.е. Dw £ Dw_доп. Объясняется это влиянием изменения w на такие показатели качества бумажного полотна как влажность и масса Iм², а также возможностью обрыва полотна в случае Dw > Dw_доп. Учитывая сказанное, требование к АСР числа оборотов двигателя сводится к заданию максимально допустимой ошибки регулирования Dw_доп., при которой будет обеспечено требуемое качество бумажного полотна и гарантировано отсутствие его обрывов. Величина Dw_доп. может быть определена на основании экспериментальных исследований непосредственно на БДМ.

В качестве другого объекта управления рассмотрим напорное устройство БДМ закрытого типа. Основная задача данного устройства заключается в обеспечении постоянства скорости V истечения массы на сетку. Достигается это за счет поддержания определенных значений уровня h бумажной массы и давления P воздушной подушки в напорном устройстве. Колебания h и P приводят к изменениям V, что влияет на поверхностную плотность бумаги, продольную ориентацию волокон и в свою очередь сказывается на прочности бумаги. Из условий эксплуатации известно, что отклонения h не должны превышать 5±10мм. Формулируя это положение на языке требований к АСР уровня массы, можно сказать, что ошибка регулирования такой АСР не должна превышать 5±10мм.

В ряде случаев требования к системам вытекают непосредственно из требований по ГОСТу к качеству продукции. Если требования по ГОСТу к влажности бумажного полотна - 5 ± 1%, то АСР влажности должна обеспечить ошибку регулирования, которая не превышала бы 1%. Требования могут ставиться не только к величине ошибки регулирования, но и к характеру ее изменения, и длительности устранения возникающих в процессе АСР ошибок.

Изменение ошибки может происходить с колебаниями или без них. При постановке требований к АСР в каждом конкретном случае следует установить допустимы ли колебания регулируемой величины относительно требуемого значения, иначе говоря, допустимы ли колебания параметра, характеризующего рабочий процесс объекта управления или необходимо обеспечивать плавный характер изменения ошибки в процессе регулирования.

Например, колебания уровня массы в напорном устройстве приводят к неоднородности бумажного полотна по различным показателям его качества и как следствие к проблемам для полиграфистов при печати. Можно поставить требование, чтобы в АСР уровня массы ошибки регулирования устранялись плавно, без колебаний. Однако, окончательное решение вопроса требует экспериментальной проверки, в результате которой требования к величине колебаний могут быть уточнены. Требования к длительности устранения возникающих при работе АСР ошибок сводятся к заданию максимально допустимого времени переходных процессов. В некоторых случаях такое время не задается, тогда при расчете систем стремятся сделать его возможно меньшим.

Процессы изменения ошибки или регулируемой величины во времени, т.е. переходные процессы делятся в зависимости от того, чем они вызваны на переходные процессы по задающему и возмущающему воздействиям. При постановке требований к качеству АСР в каждом конкретном случае рассматриваются наиболее характерные режимы их работы. Так для следящих систем требования чаще ставятся к качеству переходных процессов по задающему воздействию, а для систем стабилизации - по возмущающему воздействию. Однако, для систем стабилизации, например, в случае необходимости перевода объекта регулирования с одного режима работы на другой, требования ставятся и к переходному процессу по заданию. Например, при переводе БДМ на выпуск другой по качеству бумаги необходимо изменять задание системам стабилизации уровня массы в напускном устройстве, влажности и массы I м² бумажного полотна, скорости вращения сушильных цилиндров и т.п. В этом случае одно из требований заключается в достижении минимально возможного времени перехода на выпуск другой продукции, иначе говоря - минимально возможного времени переходного процесса по задающему воздействию.

Известно, что суждения о каком-либо объекте исследования могут быть качественными: легкий, тяжелый большой, маленький, быстрый, медленный и т.д. Можно внести в эти суждения определенность, воспользовавшись количественными характеристиками (показателями): объем 2м³ , вес 5 кг, длина 10 м и т.д. В зависимости от назначения объект может характеризоваться либо одним, либо одновременно несколькими качествами: быть, например, легким, большим и быстрым.

Говоря о системах автоматического регулирования, принято различать три их основных качества:

- точность;

- быстродействие;

- запас устойчивости.

Суждение о точности связывается с поведением АСР в установившемся режиме, о быстродействии и запасе устойчивости – с поведением систем в переходных процессах.

Точность характеризуется ошибкой регулирования в установившемся режиме, быстродействие – быстротой протекания переходных процессов, запас устойчивости – удаленностью системы от границы устойчивости.

В зависимости от выбранных методов анализа и расчета систем каждое из названных качеств характеризуется своими количественными характеристиками – показателями качества: временными, частотными или корневыми.

Отметим, что использование количественных показателей вносит строгость в наши суждения о качествах АСР. Наряду с перечисленными существуют так называемые интегральные оценки (показатели качества), позволяющие обобщенно судить о названных качествах систем.

Временные показатели качества, основанные на графиках изменения регулируемой величины, ошибки регулирования, полученные в результате исследования работы систем, являются наглядными, понятными и легко интерпретируемыми характеристиками качества их функционирования.

Частотные и корневые показатели – не являются наглядными и требуют интерпретаций на языке временных показателей. Поэтому при использовании частотных и корневых показателей их количественные оценки переводят, с помощью в большинстве своем приближенных аналитических зависимостей, на язык временных показателей качества.

Важно понимать, что рассуждать о качестве работы системы имеет смысл только в случае ее устойчивости, так как неустойчивая система просто неработоспособна. Поэтому при проектировании систем в первую очередь решаются вопросы, связанные с обеспечением устойчивости АСР. Затем решаются вопросы выполнения системой требований к качеству ее работы.