Реферат: системы автоматического управления

Прямое и непрямое регулирование

Как известно, всякая САУ состоит из регулятора и объекта регулирования. В регуляторе имеется чувствительный элемент, который отслеживает изменения регулируемой величины от величины заданного сигнала управления. В свою очередь, чувствительный элемент производит воздействие на регулирующий орган, который в свою очередь изменяет параметры системы таким образом, чтоб значение заданной и регулируемой величины стали одинаковыми. В самых простых регуляторах воздействие чувствительного элемента на регулирующий орган происходит непосредственно, то есть они напрямую соединены. Соответственно такие САР называют системами прямого регулирования, а регуляторы – регуляторами прямого действия, как это показано ниже:

В такой системе энергия, необходимая для перемещения задвижки, регулирующей подачу воды в бассейн, поступает непосредственно от поплавка, который здесь будет чувствительным элементом.

В САР непрямого регулирования для организации перемещения органа регулирования используют вспомогательные устройства, использующие для своей работы дополнительные источники энергии. В такой системе чувствительный элемент будет воздействовать на орган управления вспомогательного устройства, которое, в свою очередь, переведет регулирующий орган в нужное положение, как показано ниже:

Здесь поплавок (чувствительный орган) воздействуют на контакт обмотки возбуждения электродвигателя, который вращает задвижку в нужном направлении. Такие системы применяют, когда мощности чувствительного элемента не хватает для управления рабочим механизмом или необходимо иметь очень высокую чувствительность элемента измерения.

Классификация адаптивных САУ

Как отмечалось, адаптивная система (рис. 12.1) состоит из двух контуров управления — основного контура и вторичного — контура адаптации, содержащего управляющее устройство адаптации Для вторичного контура основная САУ является управляемым объектом. Контур адаптации образует второй уровень управления. Можно организовать и следующий уровень адаптации, когда в соответствии с изменяющимися условиями работы будет подстраиваться не только но и Аналогично возможно построение многоступенчатых иерархических адаптивных САУ, в которых каждый последующий уровень управляет предыдущим. При этом расширяется диапазон условий, при которых система будет правильно выполнять свою задачу или повышать показатель качества управления в заданном диапазоне. Каждый последующий контур адаптации должен иметь все более обобщенный алгорит управления и более долговременную память.

Адаптивная система, как и основная, может быть выполнена с разомкнутым, замкнутым и комбинированным контуром адаптации. Примерами разомкнутых контуров адаптации являются контуры адаптации по задающему и возмущающему воздействиям в обобщенной адаптивной системе (см. рис. 12.1). С помощью этих контуров определяются текущие характеристики воздействий и в соответствии с этими характеристиками по некоторому алгоритму настраиваете» При этом реакция системы или ее точность не измеряются. С помощью разомкнутого контура адаптации могут, например, определяться производные задающего воздействия и в зависимости от наличия и значения тех или иных производных изменяться порядок астатизма основной системы. Например, при появлении ускорения (что, в частности, при рассмотрении систем автоматического сопровождения цели обычно соответствует маневру цели) контур адаптации изменяет структуру так, что порядок астатизма основной системы повышается с первого до второго. При этом динамическая ошибка системы принимает конечное значение, а не возрастает во времени, как в случае, если бы порядок астатизма системы оставался первым.

В большинстве случаев адаптивные системы строятся с замкнутым контуром адаптации, т. е. с обратной связью. В этих системах по реакции системы подаваемой на через обратную связь» (рис. 12.1), определяется текущий критерий качества и сравнивается; с желаемым значением критерия Получившееся при этом отклонение используется для формирования сигнала настройки

Разомкнутый принцип управления

В таких системах не используют обратные связи и по своей структуре они довольно просты. Пример схемы такой системы показан ниже:

Это система управления скоростью вращения якоря двигателя постоянного тока которая имеет следующий алгоритм работы: задающее воздействие перемещает движок 2 потенциометра 1, тем самым меняя напряжение на усилителе 3. Изменение напряжения приводит к изменению тока машины 4 и соответственно его скорости вращения. Измерение скорости вращения машины измеряют с помощью тахогенератора 5 и с помощью стрелочного прибора 6 приводят напряжение на выходе тахогенератора к доступному для человеческого глаза виду. Если движок потенциометра будет приводить в движение человек, то такое управление называют ручным.

В данной схеме отсутствует обратная связь, поэтому ее называют разомкнутой. Регулирование координат таким образом довольно проблематичное занятие, так как чтоб получить точное значение скорости необходимо провести довольно точную градуировку системы, что довольно таки затруднительно. Даже при отличной градуировке все элементы системы подвержены износу, что делает необходимым производить частые градуировки. Также при изменении какого – то параметра (например, возрос момент нагрузки вала) скорость вращения электродвигателя просядет, но система никак не отреагирует на это. Поэтому, если нужно поддреживать какую – то из переменных величин постоянной, используют замкнутые системы управления.

Интеллектуальные САУ

ИСАУ — это системы, которые позволяют проводить обучение, адаптацию или настройку за счет запоминания и анализа информации о поведении объекта, его СУ и внешних воздействий. Особенностью данных систем является наличие базы данных машины логического вывода, подсистемы объяснений и др.

База знаний — формализованные правила в виде логических формул, таблиц и т. п. ИСУ используется для управления плохо формализованными или сложными техническими объектами.

Класс ИСУ соответствует признакам:

• Наличие взаимодействий СУ с реальным внешним миром с использованием информационных каналов связи.
• Открытость системы — нужна для пополнения и приобретения знаний.
• Наличие механизмов прогноза изменений среды функционирования системы.
• Неточность информации об ОУ может быть компенсирована за счет повышения интеллектуализации алгоритма управления.
• Сохранение функционирования при разрыве связи.

Если ИСУ удовлетворяет всем 5-ти признакам, то она интеллектуальна в «большом», иначе в «маленьком» смысле.

Адаптация, обучение и искусственный интеллект.

В реальном мире большинство систем не только изменяются в зависимости от времени и места, но и не могут быть представлены точными математическими моделями. Необходимость управлять такими системами привела к созданию новых теорий адаптации, обучения и самоорганизации. Это, в свою очередь, привело к появлению сложных систем управления с обратной связью, в которых компьютер выполняет эксперименты над системой, исследует ее характеристики в процессе работы и меняет стратегию управления. Можно сказать, что такие системы управления имитируют адаптивные способности живых организмов в изменяющихся и неопределенных условиях среды. Таким образом, вообще говоря, адаптивная система управления требует двух различных операций: идентификации характеристик управляемой системы и настройки параметров управляющей системы с учетом динамики управляемой.

Другой областью исследований, оказывающей существенное влияние на проектирование сложных автоматических систем, является теория обучения. Идеи, развитые в математической психологии, могут быть применены к проектированию систем, использующих обратную связь по состоянию, что позволяет выбрать оптимальное действие из конечного набора действий. Распознавание образов – одна из форм обучения, нашедшая применение в некоторых современных системах с обратной связью. Если управляемая система имеет конечное число состояний, а параметры оптимального управления, соответствующие каждому состоянию, сохраняются в памяти компьютера, то скорость адаптации системы управления может быть существенно повышена с помощью устройства распознавания. Например, на космическом корабле распознавание состояния по измерениям температуры, влажности, давления, вибраций, радиации и т.п. является задачей распознавания образов.

Кроме исследований, упомянутых выше, многое делается в области разработки искусственного интеллекта, который включает более высокие уровни обратной связи, такие, как поиск информации, перевод с одного языка на другой, игры, доказательство теорем и решение комплексных проблем. Эти идеи начинают находить применение в различных областях современной науки и технологии. Электроника и компьютерные технологии, особенно разработка микропроцессоров, открыли новые пути применения теорий управления, основанных на сложных формах обратной связи. Человечество вступает в эру, где какие-либо применения будут ограничиваться только состоянием теории и воображением проектировщика. См. также ИНТЕЛЛЕКТ ИСКУССТВЕННЫЙ; КОМПЬЮТЕР; ЭЛЕКТРОННАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ; ИНФОРМАЦИИ НАКОПЛЕНИЕ И ПОИСК; ИНФОРМАЦИИ ТЕОРИЯ.

Методы автоматического регулирования

Системы автоматического регулирования могут создаваться на основе двух основных методов регулирования: регулирования с обратной связью, которое работает путем исправления отклонений переменной процесса после того, как они произошли; и с воздействием по возмущению, которое предотвращает возникновение отклонений переменной процесса.

Регулирование с обратной связью

Регулирование с обратной связью — это такой способ автоматического регулирования, когда измеренное значение переменной процесса сравнивается с ее уставкой срабатывания и предпринимаются действия для исправления любого отклонения переменной от заданного значения.

Система ручного регулирования с обратной связью

Основным недостатком системы регулирования с обратной связью является то, что она не начинает регулировки процесса до тех пор, пока не произойдет отклонение регулируемой переменной процесса от значения ее уставки.

Температура должна измениться, прежде чем регулирующая система начнет открывать или закрывать управляющий клапан на линии пара. В большинстве систем регулирования такой тип регулирующего действия приемлем и заложен в конструкцию системы.

В некоторых промышленных процессах, таких как изготовление лекарственных препаратов, нельзя допустить отклонение переменной процесса от значения уставки. Любое отклонение может привести к потере продукта. В этом случае необходима система регулирования, которая бы предвосхищала изменения процесса. Такой упреждающий тип регулирования обеспечивается системой регулирования с воздействием по возмущению.

Регулирование с воздействием по возмущению

Регулирование по возмущению — это регулирование с опережением, потому что прогнозируется ожидаемое изменение в регулируемой переменной и принимаются меры прежде, чем это изменение происходит.

Это фундаментальное различие между регулированием с воздействием по возмущению и регулированием с обратной связью. Контур регулирования с воздействием по возмущению пытается нейтрализовать возмущение прежде, чем оно изменит регулируемую переменную, в то время, как контур регулирования с обратной связью пытается отрабатывать возмущение после того, как оно воздействует на регулируемую переменную.

Система регулирования с воздействием по возмущению

Система регулирования с воздействием по возмущению имеет очевидное преимущество перед системой регулирования с обратной связью. При регулировании по возмущению в идеальном случае величина регулируемой переменной не изменяется, она остается на значении ее уставки. Но ручное регулирование по возмущению требует более сложного понимания того влияния, которое возмущение окажет на регулируемую переменную, а также использования более сложных и точных приборов.

На заводе редко можно встретить чистую систему регулирования по возмущению. Когда используется система регулирования по возмущению, она обычно сочетается с системой регулирования с обратной связью. И даже в этом случае регулирование по возмущению предназначается только для более ответственных операций, которые требуют очень точного регулирования.

Основные классификационные признаки

Основными классификационными признаками, определяющими вид АСУ, являются:

• сфера функционирования объекта управления (промышленность, строительство, транспорт, сельское хозяйство, непромышленная сфера и т. д.)
• вид управляемого процесса (технологический, организационный, экономический и т. д.);
• уровень в системе государственного управления, включения управление народным хозяйством в соответствии с действующими схемами управления отраслями (для промышленности: отрасль (министерство), всесоюзное объединение, всесоюзное промышленное объединение, научно-производственное объединение, предприятие (организация), производство, цех, участок, технологический агрегат).

1.2. Структура систем управления: простые и многомерные системы

В теории управления техническими системами часто бывает удобно систему разделить на набор звеньев, соединенных в сетевые структуры. В простейшем случае система содержит одно звено, на вход которого подается входной воздействие (вход), на входе получается отклик системы (выход).

В теории Управления Техническими Системам используют 2 основных способа представления звеньев систем управления:

— в переменных “вход-выход”;

— в переменных состояния (более подробно см. разделы 6…7).

Представление в переменных “вход-выход” обычно используется для описания относительно простых систем, имеющих один “вход” (одно управляющее воздействие) и один “выход” (одна регулируемая величина, см. рисунок 1.2.1).

Рис. 1.2.1 – Схематическое представление простой системы управления

Обычно такое описание используется для технически несложных САУ (систем автоматического управления).

В последнее время широкое распространение имеет представление в переменных состояния, особенно для технически сложных систем, в том числе и для многомерных САУ. На рис. 1.2.2 приведено схематичное представление многомерной системы автоматического управления, где u₁(t)…u_m(t) — управляющие воздействия (вектор управления), y₁(t)…y_p(t) — регулируемые параметры САУ (вектор выхода).

Рис. 1.2.2 — Схематическое представление многомерной системы управленияя

Рассмотрим более детально структуру САУ, представленную в переменных “вход-выход” и имеющую один вход (входное или задающее, или управляющее воздействие) и один выход (выходное воздействие или управляемая (или регулируемая) переменная).

Предположим, что структурная схема такой САУ состоит из некоторого числа элементов (звеньев). Группируя звенья по функциональному принципу (что звенья делают), структурную схему САУ можно привести к следующему типовому виду:

Рис. 1.2.3 — Структурная схема системы автоматического управления

Символом ε(t) или переменной ε(t) обозначается рассогласование (ошибка) на выходе сравнивающего устройства, которое может “работать” в режиме как простых сравнительных арифметических операций (чаще всего вычитание, реже сложение), так и более сложных сравнительных операций (процедур).

Так как y₁(t) = y(t)*k₁, где k₁ — коэффициент усиления, то ==> ε(t) = x(t) — y₁(t) = x(t) — k₁*y(t)

Задача системы управления состоит в том (если она устойчива), чтобы “работать” на уничтожение рассогласования (ошибки) ε(t), т.е. ==> ε(t) → 0.

Следует отметить, что на систему управления действуют как внешние воздействия (управляющее, возмущающее, помехи), так и внутренние помехи. Помеха отличается от воздействия стохастичностью (случайностью) своего существования, тогда как воздействие почти всегда детерминировано.

Для обозначения управляющего (задающего воздействие) будем использовать либо x(t), либо u(t).

Принципы управления САУ

Обратная связь — связь, при которой на вход регулятора подаётся действительное значение выходной переменной, а также заданное значение регулируемой переменной.

• жёсткая — такая ОС, при которой на вход регулятора поступает сигнал, пропорциональный выходному сигналу объекта в любой момент времени.
• гибкая — такая ОС, при которой на вход регулятора поступает не только сигнал, пропорциональный выходному сигналу объекта, но и сигнал, пропорциональный производным выходной переменной.

Управление по принципу отклонения управляемой переменной — обратная связь образует замкнутый контур. На управляемый объект подаётся воздействие, пропорциональное сумме (разности) между выходной переменной и заданным значением, так, чтобы эта сумма (разность) уменьшалась.

Управление по принципу компенсации возмущений — на вход регулятора попадает сигнал, пропорциональный возмущающему воздействию. Отсутствует зависимость между управляющим воздействием и результатом этого действия на объект.

Управление по принципу комбинированного регулирования — используется одновременно регулирование по возмущению и по отклонению, что обеспечивает наиболее высокую точность управления.

Виды воздействий. Переходная, весовая, передаточная функции

• Единичная ступенчатая функция — специальная математическая функция, чьё значение равно нулю для отрицательных аргументов и единице для положительных аргументов.
• Единичная импульсная функция — производная от единичной ступенчатой функции. Характеризует собой импульс бесконечно-большой амплитуды, протекающий за бесконечно-малый промежуток времени. Геометрический смысл — площадь, ограниченная данной функцией, равна 1.
• Переходная функция — это реакция системы на единичный ступенчатый сигнал.
• Весовая функция — это реакция системы на единичный импульс.
• Передаточная функция — отношение преобразования Лапласа выходного сигнала к преобразованию Лапласа входного при нулевых начальных условиях и нулевых внешних возмущениях.

Понятие настройки системы регулирования

Под настройкой системы регулирования понимается перечень расчетных и экспериментальных работ, направленных на поиск настроечных параметров регулятора, обеспечивающих заданное качество регулирования, организацию и проведение натурных испытаний на действующем производстве или расчетных экспериментов для подтверждения оптимальности выбранных параметров. Доказательством оптимальности должны служить результаты работы регулятора для нескольких значений настроечных параметров, среди которых существуют оптимальные. Параметрами настройки являются их численные значения для конкретного регулятора, ограничения на диапазоны их вариации при поиске, а также критерии качества.

Понятие настройки системы регулирования является достаточно широким — все зависит от поставленной цели и условий настройки. При настройке любых систем регулирования особенно в теплоэнергетике следует учитывать внутреннюю противоречивость выполняемой работы.

Успех настройки регулятора зависит от полноты информации об объекте регулирования. В то же время наиболее полная и достоверная информация может быть получена во время работы системы. Поэтому практическую настройку всегда приходится начинать при дефиците информации и надо быть готовым ко всякого рода неожиданностям.

Однако в любом случае обеспечение устойчивости является обязательным необходимым требованием.

К результатам настройки могут быть предъявлены следующие требования, которые можно отнести к категории достаточных:

1. обеспечение работоспособности системы регулирования (возможность включения регулятора);
2. обеспечение работы регулятора при заданном запасе устойчивости (гарантия устойчивой работы);
3. обеспечение оптимальных параметров, гарантирующих минимум выбранного критерия качества.

Приведенный перечень достаточных требований является списком этапов выполнения наладочных работ, которые надо выполнить для достижения максимального качества работы системы регулирования. Этапы могут быть выполнены сразу при пуске производства или разнесены во времени.