Технические требования к саувт

Требования к системам высшей точности

Отличие САУВТ от обычных САУ состоит в том, что при их проектировании особое внимание уделяется проблемам достижения высокой точности управления.

Ошибку управления можно разделить на статическую и динамическую. Статическая ошибка — это наиболее низкочастотная (статическая) компонента отклонения значения выходного сигнала объекта от предписанного значения. Динамической ошибкой называют высокочастотную компоненту этого отклонения, т. е. все виды отклонения, за исключением статической ошибки.

При этом в теории автоматического управления (ТАУ) считают, что датчик выходной величины объекта ошибки не имеет. Это происходит не оттого, что специалисты по ТАУ верят в идеальность такого датчика, а потому, что учет ошибки датчика невозможен методами ТАУ. Погрешность датчика не может быть устранена регулятором. Она внесет свой обязательный вклад в ошибку управления объектом, поэтому, коль скоро устранение ее влияния невозможно, в ТАУ не имеет смысла ее обсуждать. Достаточно предположить, что разработчики датчиков использовали все свои знания и умения для ее уменьшения.

Однако разработчик системы не столь уж беспомощен. Во-первых, он может выбирать тип датчика и учитывать его влияние. Во-вторых, используя, например, несколько датчиков одновременно, можно повысить точность системы в целом. В-третьих, в большинстве ситуаций разработчик регулятора и разработчик остальных электронных элементов системы — это одно и то же лицо, поэтому имеется возможность влияния на все электронные элементы системы, на их выбор, на схему их включения и т. д.

Кроме датчиков, на точность работы системы оказывают влияние и приводы, т. е. устройства, которые осуществляют формирование действующего на объект сигнала с выхода регулятора. При проектировании регуляторов методами ТАУ на приводы обращают мало внимания, зачастую привод относят к неизменяемой части системы, т. е. к объекту регулирования. Приводы могут быть мощными усилителями (напряжения, тока), их качество может оказать существенное влияние на динамическую точность ошибку, а в некоторых случаях даже на статическую погрешность. Этот вопрос также будет рассмотрен в данном пособии.

Весьма важный класс систем — системы настройки на экстремум, называемые в ТАУ также «экстремальные системы управления». В рамках курса ТАУ считается достаточным, чтобы ошибка в системе с течением времени стремилась к нулю, что обеспечивается устойчивостью системы. Иногда обращают внимание на качество переходного процесса, что требует отсутствия или малой величины перерегулирования, отсутствия или малой амплитуды и быстрого затухания колебаний, относительно малой длительности процесса и относительно малой остаточной (статической) ошибки.

В системах управления высшей точности зачастую требования столь серьезны, что в обычном курсе ТАУ они даже в первом приближении не рассматриваются.

Пример 1

Требования к системе стабилизации частоты лазера

Гелий-неоновый лазер формирует монохроматическое оптическое излучение в инфракрасной области частот F (длина волны приблизительно равна А. = 3,39 мкм) с девиацией этого значения на уровне AF = 10 МГц. За счет обратной связи требуется стабилизировать частоту излучения с погрешностью менее 5 °F = 0,1 Гц. Исходная девиация в 100 млн раз превышает допустимую остаточную девиацию. Известно, что статическая ошибка в системе за счет действия обратной связи уменьшается, кратность уменьшения равна статическому коэффициенту усиления контура. Соответственно, коэффициент усиления в этой системе должен быть не меньше К_ыт, = AF / 5 °F = 10⁸.

Рис. 7.7. Варианты ЛАЧХ, охватывающей критическую точку А,.

(линия 2 при этом не охватывает точку В₁):

по оси абсцисс — логарифм частоты; по оси ординат — логарифм усиления.

Пример 2

Пусть требуется подавление шумовой девиации частоты (пример 1), равное AFj = 1 МГц, происходящее в области звуковых частот (расчетное значение, например,/= 10 КГц) до величины не более 6F = 0,1 Гц. Необходимо на этой основе сформулировать требования к логарифмической амплитудночастотной характеристике (ЛАЧХ) системы. На основе этих данных следует сделать вывод, что ЛАЧХ системы в области от нулевых частот до частоты/ должна располагаться выше Kf=AF/8F= 10⁷. На рис. 7.1 показаны варианты соответствующей ЛАЧХ.

Согласно требованиям, изложенным в примере 2, левая часть ЛАЧХ должна быть выше точки, положение которой задано частотой/и усилением Kf. В примере 1 задается только минимальное значение самой крайней точки этой характеристики, которая находится слева в бесконечном удалении. Требование примера 1 — это требование только к статической ошибке, которое относится к нулевой частоте. Требование примера 2 — это требование к ошибке в полосе от нулевой частоты до частоты/.

Пример 3.

Могут быть причины для того, чтобы выдвигать и такие требования, которые ограничивают ЛАЧХ сверху в некоторой области частот. Например, в сигнале, поступающем с датчика выходной величины объекта, может присутствовать помеха, существенно превышающая информативную часть сигнала в некоторой области частот. В этом случае необходимо, чтобы коэффициент усиления контура в области этих частот был много меньше единицы. Например, штриховая линия на рис. 7.1 не удовлетворяет таким требованиям, а сплошная линия удовлетворяет.

Таким образом, зависимость требований к регулятору от требований к системе может быть весьма непростой. Мы увидели, что достаточно важными могут оказаться требования к ЛАЧХ условно разомкнутого контура. Наряду с этим обязательно имеются определенные требования к амплитудно-фазовой характеристике этого контура (ЛФЧХ).

Эти две характеристики всегда принимаются во внимание при расчете регулятора и являются основой такого расчета. Наряду с ними следует принимать в расчет и особенности датчиков, такие как их статическая ошибка (смещение), их динамическая ошибка, шумы, дрейф смещения (дрейф во времени и тепловой дрейф) и т. д.

Ключевым вопросом в обеспечении высокой точности является выбор датчиков выходной величины и разработка наилучшего преобразователя выходного сигнала выбранного датчика в сигнал управления объектом.