Введение. 
Системы автоматического управления высшей точности

Системы автоматического управления высшей точности (САУВТ) обеспечивают высокоточное управление выходными величинами управляемых объектов в контуре с отрицательной обратной связью [1—4]. Также существуют САУВТ для прецизионной стабилизации выходных величин физических объектов.

Как правило, в теории автоматического регулирования вопросы точности рассматриваются в нескольких аспектах, но все же не во всех.

Например, обсуждаются такие вопросы, как устойчивость, статическая и динамическая ошибка, величина перерегулирования. Но рассматриваемый круг вопросов недостаточен для обеспечения требований высокой точности управления с позиции метрологии. Требуемая малая величина погрешности должна быть обоснована теоретически и подтверждена экспериментами.

Так, например, авторы сталкивались с общим мнением коллектива разработчиков о том, что разработанная ими система стабилизации температуры «обеспечивает точность стабилизации температуры в одну тысячную градуса Цельсия». На вопрос, чем обоснована такая оценка, был дан ответ, что коэффициент усиления в системе составляет более десяти тысяч. Рассуждения разработчиков основывались на следующем соображении: если отклонение температуры окружающей среды от предписанного значения не превышает десяти градусов, а статический коэффициент усиления — более десяти тысяч, то, разделив первое на второе, получим «погрешность» стабилизации. Ошибка этих рассуждений состоит в том, что результат деления дает лишь величину, называемую в теории управления «ошибкой», но тут совершенно не учитывается погрешность датчика, которая может внести вклад в сотни и тысячи раз больший, чем эта рассчитанная величина. «Ошибка» вообще может быть сделана нулевой, тогда как датчик температуры, обладающий погрешностью измерения менее одной тысячной градуса, — это большая проблема.

Встречались и более безапелляционные утверждения, например о том, что авторам некоторой публикации удалось «доказать» возможность управления «вообще без ошибки». Даже если бы погрешность датчика отсутствовала, то и в этом случае динамическая ошибка системы неизбежна. На объект всегда воздействуют возмущающие факторы, их невозможно заранее предсказать, поэтому борьба с ними может осуществляться лишь по факту результата их действия.

Важно понять, что статическая погрешность может быть снижена лишь ниже некоторого заранее заданного уровня, если найдены соответствующие датчики, а динамическая ошибка может быть уменьшена лишь в некоторой ограниченной полосе частот. Грамотный проектировщик никогда не будет ставить задачу устранения погрешности управления полностью, поскольку это невозможно. Если задача ставится так, то это означает недостаточное понимание задачи управления и проблем, препятствующих решению этой задачи. При разработке САУВТ проектировщик ставит достаточно конкретные задачи, например: снизить погрешность стабилизации температуры до величины не более пяти тысячных градуса. Эта задача ставится в ограниченной области частот, например от нулевых до 0,005 Гц. И эта задача может оказаться достаточно сложной. При этом погрешность датчика менее четверти заданной величины погрешности системы в большинстве случаев может не приниматься в расчет. Аналогично шумы измерений на частоте свыше 50 Гц могут не рассматриваться в принципе. И этот подход намного правильнее, чем попытки решить амбициозную задачу «свести погрешность стабилизации к нулю», или «полностью устранить динамическую ошибку».

При анализе обычных систем автоматического управления (САУ) получение графика переходного процесса как отклика на единичное ступенчатое воздействие, на котором по прошествии некоторого времени кривая выходной величины сливается с кривой задания, считается доказательством успешного решения поставленной задачи. Но с позиции теории САУВТ этого недостаточно. Ширина линии графика, как правило, составляет не менее 0,5% от диапазона этого графика, а зачастую и больше. Поэтому слияние двух кривых не является достаточным основанием для оценки точности системы. Возможно, в системе присутствуют небольшие колебания около равновесного состояния с амплитудой, которая не видна на этом графике, либо имеется статическая ошибка. Кроме того, указанные переходные процессы рассчитываются для моделей, они не являются экспериментальным подтверждением высокой точности реальной системы.

Нельзя отождествлять статическую ошибку, о которой говорится в теории автоматического управления (ТАУ), с погрешностью системы. Статическая ошибка — термин, которым в ТАУ описывают ту компоненту погрешности, которая связана с недостаточностью коэффициента усилений разомкнутого контура управления. Эта ошибка может быть сведена строго к нулю. Но погрешность стабилизации системы никогда не может быть сведена строго к нулю.

Также нельзя отождествлять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) системы, отдельного элемента или совокупности элементов с их быстродействием. Эти характеристики связаны между собой, но не идентичны. Например, операционный усилитель с более широкополосной АЧХ может обладать меньшей скоростью нарастания выходного сигнала. При работе с малыми сигналами предельная скорость нарастания может не вызывать искажений, поэтому в таком режиме АЧХ, действительно, наиболее показательна. При формировании сигналов большой амплитуды предельная скорость нарастания может оказаться более важным параметром, недостаточная скорость нарастания может вызвать нелинейные искажения. У некоторых устройств, включая электронные усилители сигнала, предельная скорость положительного нарастания выходного сигнала может не совпасть с абсолютным значением предельной скорости отрицательного нарастания. Поэтому возникающие нелинейные искажения могут сместить рабочую точку даже в среднем, т. е. динамическая ошибка может породить статическую ошибку. И это надо учитывать.

Данный курс изучает САУВТ не только с позиции теории автоматического управления, но также и с позиций метрологии, электроники и даже физики процесса.

И все же САУВТ являются частным случаем САУ, поэтому для их создания, исследования и модификации основным инструментарием является теория автоматического управления.

В результате изучения материалов данного пособия студенты должны:

знать

• • принципы постановки задачи научных исследований в области автоматического управления;
• • современные методы построения систем управления в условиях неопределенности;

уметь

• • формулировать цели, задачи научных исследований в области автоматического управления;
• • выбирать методы и средства решения задач;

владеть

• навыками выбора методов и разработки алгоритмов решения задач управления в технических системах.