Teoriya avtomatichnogo keruvannya

Дж. Уатт вперше використав для стабілізації швидкості обертання парової машини відцентровий регулятор, який також діяв на принципі керування за відхиленням.

Для реалізації принципу керування за відхиленням САК має бути замкнутою. Основною особливістю і перевагою цього принципу є те, що САК реагує на відхилення дійсного значення регульованої величини від заданого незалежно від причин, які зумовили це відхилення. Отже, САК, побудована на даному принципі, враховує кінцевий результат усіх причин появи відхилення і тому може мати вищу точність керування.

САК, побудовані на принципі керування за відхиленням, мають складніші методи розрахунку, дослідження та настроювання. В цілому цей принцип керування використовується при потребі дістати високу точність як в статичних, так і в динамічних режимах.

На практиці використовуються також системи з комбінованим принципом керування. Принципову схему комбінованої САК показано на рис. 1.6. Вона має два канали керування.

Рис. 1.6

Один діє за принципом керування за збуренням (ВЕ2 — КЕ — Вик Е — О) і має розімкнутий контур, а інший — за принципом керування за відхиленням вихідної величини хшіх від заданого значення £(ї) і має замкнутий контур (ВЕ 1 — ВП — КЕ — Вик Е — О).

Основною перевагою комбінованого керування є можливість дістати високу точність при кращих динамічних характеристиках, аніж у відповідній САК, побудованій за принципом керування за відхиленням.

20

1.6. Види систем автоматичного керування щ

Види систем автоматичного керування

Основні принципи класифікації. САК можна класифікувати за різними ознаками: принципом керування; кількістю регульованих параметрів і контурів; виглядом статичних і динамічних характеристик; структурними особливостями системи тощо.

Одним із поширених принципів класифікації є інформативний. В його основі лежать особливості здобуття і використання інфор-

Системи з повною початковою інформацією. Такі системи ще називають звичайними. Вони мають початкову інформацію, достатню для розв'язання поставленого завдання на період всього часу роботи системи.

Звичайні системи бувають із розімкнутою і замкнутою структурними схемами (відповідно замкнуті і розімкнуті системи).

Замкнуті САК називають також системами зі зворотним зв'язком (або системами автоматичного регулювання). Вони діють за

П р о г р а м н і САР мають забезпечувані зміну регульованої величини за деякою заздалегідь відомою програмою:

21

1.6. Види систем автоматичного керування щ

але принципова їх відмінність від програмних САР полягає в тому, що потрібний для виконання закон зміни регульованої величини §(ї) заздалегідь не відомий, а формується в ході роботи системи.

Програмні системи широко використовуються у верстатах з програмним керуванням, системах програмного гальмування (наприклад, на шахтних підйомних машинах) тощо.

Характерним прикладом слідкувальних САР можуть бути різні системи наведення на ціль в ракетних військах, зенітній артилерії. В цьому разі потрібна програма заздалегідь не відома. Вона зумовлюється зміною положення об'єкта стеження (літака або ракети) і з великою точністю і швидкістю повинна відтворюватись системою наведення.

Розімкнуті САК бувають двох видів: компенсаційні і програмного керування. Вони діють за принципом керування за збуренням.

К о м п е н с а ц і й н і с и с т е м и забезпечують формування таких сигналів керування на вході об'єкта, які компенсують дію на нього відповідного збурення /(/).

С и с т е м и п р о г р а м н о г о к е р у в а н н я , н а відміну від систем програмного регулювання, мають розімкнуту схему і згідно із заздалегідь заданою програмою забезпечують відповідну зміну режиму роботи об'єкта. При цьому потрібна робоча інформація може існувати у вигляді кулачків, профільних дисків, програм на перфокартах (перфострічках) тощо. В такий спосіб програмуються необхідні зміни технологічного процесу. Прикладом можуть бути ліфтові підйомні установки, де кінцеві вимикачі забезпечують необхідні зміни режиму роботи електропривода залежно від положення кабіни ліфта.

Системи з неповною початковою інформацією. Кібернетичні системи. Системи з неповною початковою інформацією, або кібернетичні, є такими, які для розв'язання поставлених завдань потребують додаткову інформацію, аналіз котрої дає змогу сформувати потрібні команди керування.

Кібернетичні системи існують двох видів: самопасі роювальні та ігрові.

Самонастроювальні системи (СНС). До С Н С належать екстре-

мальні системи, системи з самонастроюванням керуючих ланок і самооптимізуючі.

23

У загальному випадку команда на керування об'єктом формується як результат взаємозалежностей між характеристиками об'єкта, елементів системи і збурення. Якщо в процесі роботи об'єкта деякі з характеристик змінюються, це може призвести до небажаної зміни режиму роботи об'єкта (системи) та погіршення якості процесів керування. СНС можуть пристосовуватись (адаптуватись) до зміни (часто випадкової) зовнішніх умов, забезпечуючи потрібні показники якості керування.

Функціональна схема СНС наведена на рис. 1.8. Основною особливістю СНС є додатковий регулятор ДР, на входи 1...4 якого надходить інформація про зміни збурення (/), завдання (2), значення вихідної величини об'єкта (3), параметри об'єкта (4).

Додатковий регулятор у результаті аналізу здобутої інформації формує коректуючу дію, яка надходить на вхід основного регулятора ОР і забезпечує самонастроювання (адаптацію) системи. Додатковий регулятор у кібернетичних САК, це, як правило, електронно-обчис- лювальна машина, яка забезпечує виконання логічних операцій і прийняття найвигідніших (оптимальних) у даних умовах рішень. Характерним прикладом СНС є автопілот на сучасних літаках, який залежно від зміни ваги, аеродинамічних характеристик літака, сили і напряму вітру й інших факторів забезпечує оптимальний режим польоту.

УЬ

М

др

Екстремальні СНС. На практиці досить часто постає завдання забезпечити керування на екстремумі деякої функції у (рис. 1.9), яка є функцією двох величин.

24

1.6. Види систем автоматичного керування щ

де ф — регулюючий параметр; X — параметр, що характеризує стан об'єкта.

При деякому стані об'єкта X = Х{ для забезпечення роботи на екстремумі функції у| тах необхідно мати в системі значення регулюючого параметра ф = ф1. Якщо стан об'єкта зміниться і при цьому X = Х2, то для роботи на відповідному екстремумі нової характеристики у — у2 піах система повинна забезпечити нове значення регулюючого параметра ф = ф2.

У разі ручного керування при великій швидкості зміни параметра X потрібно було б увесь час змінювати настроювання системи, забезпечуючи рівність у =утах, що практично неможливо. Тому розв'язання подібних завдань потребує використання особливих екстремальних, самонастроювальних систем, які забезпечують автоматичне настроювання на екстремум відповідної функції. Екстремальні СНС використовують для забезпечення максимально можливої продук-

новлюють деяке довільне значення ф = ф, , після чого фіксують відповідне значення у = Уи дають

25

екстремуму у = утах і забезпечується режим роботи з настроюванням, близьким до максимального значення функції ут,хх.

система відшукує екстремум функції у і запам'ятовує його, після чого відповідним чином реагує на відхилення функції у від екстремального значення.

М е т о д н а к л а д а н н я в и м у ш е н и х к о л и в а н ь н а в х і д о б ' є к т а (рис. 1.11). Характеристику об'єкта у = /(ф) наведено на рис. 1.11, а. Якщо при роботі в точці а0 на зростаючій частині характеристики на вхід об'єкта подати гармонічні коливання (рис. 1.11, в), то на виході об'єкта виникнуть періодичні коливання (рис. 1.11, б\ крива 7). Якщо буде пройдено екстремум функції;; = /(Ф)і гармоніч-

глянутих СНС є наявність пошукових коливань, а також їх

26

1.6.Види систем автоматичного керування щ

відносно низька перешкодостійкість. На практиці трапляються об'єкти з екстремальними характеристиками, для яких за технологічних умов пошукові коливання неприпустимі. Для розв'язання

керуючий сигнал хь то на першій моделі вихідна величина, що відповідає вхідному сигналу х, + Ах, дорівнюватиме (після підсилення) ф(, а на виході другої моделі — При цьому характеристики моделей зміщуються вліво і вправо відносно характеристики об'єкта. Вихідні величини моделей подаються на пристрій порівняння ПП.

Після підсилення вихідна величина ПП з урахуванням її знака формує сигнал керування \і, який забезпечує рівність

ФЇ - Ф2 = 0.

Цю рівність можна дістати лише гіри значеннях х, що відповідають екстремуму характеристики об'єкта.

Отже, за наявності моделей і відповідної системи керування можна забезпечити роботу об'єкта з екстремальним значенням його вихідної величини ф незалежно від значення збурення X.

СНС із самонастроювсінням коректувальних лапок. О с н о в н о ю осо -

бливістю даних систем є те, що перехідний процес самонастроюванпя в контурі додаткового регулятора ДР (див. рис. 1.8) триваліший порівняно з процесом у контурі основного регулятора ОР. У зв'язку з цим результат самонастроювання можна використовувати лише на наступних етапах (циклах) роботи об'єкта.

27

Існують три основні види таких СНС: з екстремальним самонастроюванням, з розімкнутим і замкнутим контуром самонастроювання коректувальних ланок.

Самооптимізуючі СНС. Характерною особливістю таких систем є можливість використання результатів самонастроювання системи в даному циклі її роботи. Це досягається завдяки тому, що тривалість перехідного процесу в контурі додаткового регулятора менша, ніж у контурі основного регулятора.

Ігрові системи автоматичного керування ( І С А К ) . Ігрові с и с т е м и

мають такі основні особливості:

•процес керування виконується в деякій системі з багатьма взаємозв'язаними об'єктами («велика система»);

•інтереси сторін (об'єктів) є протилежними;

•дії сторін і збурень у системі можуть відбуватися за відомими правилами (алгоритмами), а також мати випадковий характер.

Як класичний аналог принципів побудови і дії ігрової системи, що визначило назву цього виду САК, можна навести карточні ігри, які об'єднують кількох гравців (або груп) з різними інтересами. Надходження карт до гравців має випадковий характер, гра йде за неповної інформації; кожен гравець хоче виграти.

Команди в ІСАК можуть формуватися за порівнянням багатьох можливих розв'язків (виборів) на окремих етапах — кроках.

Критерієм для порівняння окремих виборів є функція вигоди, яка визначається заздалегідь на основі аналізу керованої операції в даній системі за допомогою методів теорії дослідження операцій.

Розв'язок, що відповідає найбільшому значенню функції вигоди, називається оптимальним. (Тому не мають сенсу досить поширені на практиці вислови «найбільш оптимальний».)

Основним елементом ІСАК є керуюча машина КМ (рис. 1.13), яка має забезпечувати на основі робочої та наявної початкової інформацій формування найвигіднішого (оптимального) процесу керування в даних умовах і прийнятих обмеженнях.

Початкова інформація про першу сторону повинна мати необхідні відомості про властивості керованого процесу і бути достатньою для находження виборів і функції вигоди.

Інформація про другу сторону зазвичай мінімальна. Робоча інформація має поточні відомості про стан і дії сторін.

ІСАК бувають двох видів: з набором шаблонних розв'язків; з автоматичним пошуком оптимального розв'язку.

28

1.6.Види систем автоматичного керування щ

Рис. 1.13

У системі з набором шаблонних розв'язків оптимальні розв'язки для конкретних умов знаходяться заздалегідь і зберігаються в пам'яті КМ.

Знаходження оптимального розв'язку забезпечується перебором відомих розв'язків і вибором такого, який найбільшою мірою відповідає конкретним умовам. Особливостями ІСАК даного виду є: відносно тривалий процес знаходження розв'язку; приблизний характер знаходження оптимального розв'язку завдяки тому, що в пам'яті машини зберігається скінченна кількість знайдених раніше розв'язків (при цьому прийнятий за оптимальний розв'язок в окремому випадку може не досить точно відповідати конкретним умовам); необхідність мати велику пам'ять ЕОМ.

Кращими є ІСАК з автоматичним пошуком оптимального роз- в'язку, які на основі інформації про другу сторону з більшою швидкодією і точністю знаходять оптимальний розв'язок.

На основі принципів дії ІСАК розроблено автоматизовані системи керування (АСК) найрізноманітнішого призначення: автоматизовані системи керування технологічними процесами (АСК ТП); виробництва (АСК В); промисловими комплексами (АСК ПК) та ін.

За допомогою ІСАК розв'язуються складні транспортні завдання онтимізації зустрічних перевезень вантажів; завдання пошуку оптимального розміщення електростанцій, окремих виробництв тощо.

Розглянемо класифікацію САК за іншими критеріями та їх основними особливостями.

Системи прямої і непрямої дії. В системах прямої дії вимірювальиий елемент безпосередньо діє на регулюючий орган. Так, па рис. 1.14 показано систему прямої дії регулювання швидкості. Ви-

29