Скользящие режимы. 
Системы автоматического управления высшей точности

Что такое скользящий режим и чем он плох

Скользящим режимом называют режим, в котором управляющий сигнал «бесконечно быстро» переключается от максимального до минимального значения и обратно.

Примером системы в скользящем режиме может служить сигмадельта АЦП, поэтому структура на рис. 10.1 аналогична САУ в скользящем режиме. В общем виде систему в скользящем режиме можно показать структурой, представленной на рис. 11.1 или 11.2. Принцип действия такой системы в целом идентичен принципу действия указанного типа АЦП. Компаратор выдает максимальный положительный или максимальный отрицательный сигнал, в зависимости от того, что больше — задание или выходной сигнал объекта. Это эквивалентно вводу усилителя-ограничителя с бесконечным коэффициентом усиления (или реле) на выходе устройства сравнения, вычисляющего ошибку управления. Предположительно резкое изменение сигнала на выходе компаратора вызовет практически одновременное столь же резкое увеличение выходного сигнала на выходе регулятора, что также вызовет практически одновременное резкое изменение выходного сигнала. На это изменение компаратор, предположительно, отреагирует столь же одновременно. Отсюда и исходит мнение о бесконечной частоте переключения. Это представление о том, что частота переключений бесконечна, всегда ошибочно. Если бы все элементы системы были линейны, не имели даже малейшего гистерезиса и ни малейшего запаздывания, это предположение имело бы основание.

Рис. 11.1. Упрощенная структура системы в скользящем режиме.

В реальности объектов без запаздывания не существует. Компараторов без самого малейшего гистерезиса в природе практически не существует. Мгновенных датчиков для измерения выходного сигнала объекта также не существует, поэтому потребуется некоторое время на то, чтобы скачок сигнала вызвал отклик на выходе объекта, который породит обратное срабатывание компаратора. Частота переключения фактически будет зависеть от параметров, которые разработчик такой системы не принимает в расчет, считая их несущественными.

Рис. 11.2. Другой вариант упрощенной структуры системы в скользящем режиме.

Подобный режим работы в практике простейших регуляторов-стабилизаторов широко используется в бытовых устройствах. В таких устройствах используется не электронный компаратор, а какое-либо устройство, чаще всего реле, которое срабатывает в одну сторону, если выходной сигнал объекта больше задания, и в обратную сторону, если этот сигнал меньше задания.

Пример 1.

В электрическом утюге и электрической духовке используется реле из биметаллической пластины. За счет различных коэффициентов теплового расширения такая пластина при изменении температуры изгибается. Конструкция реле такова, что холодная пластина замыкает цепь нагревателя, если же пластина нагревается, то цепь нагревателя размыкается, вследствие чего нагревание прекращается. Таким образом, в цепи постоянно происходят колебания, но вместо интенсивного охлаждения попросту отключается нагревание. Думается, нет необходимости подчеркивать, что частота переключения в такой системе отнюдь не бесконечна. Из практики работы утюга общеизвестно, что период переключений составляет несколько минут. Это же имеет место в электрической духовке.

Можно утверждать, что режим постоянного переключения управления из максимального к минимальному и обратно никак не соответствует требованиям, предъявляемым к системам высшей точности.