Особенности систем высшей точности

При анализе погрешностей систем высшей точности следует учитывать, что достижение малых статической и динамической ошибок, о которых идет речь в теории автоматического управления, является лишь необходимым условием, но не достаточным. Остальные погрешности и ошибки также следует принимать во внимание. Следует анализировать элементную базу, на которой реализуется система, принимать во внимание все возможные источники погрешностей.

Кроме того, если обычно в ТАУ термин «большой коэффициент» подразумевает, что коэффициент усиления много больше единицы, т. е., например, превышает величину 100—1000, то при проектировании систем высшей точности следует исходить из технических требований по величине допустимой погрешности, которая может составлять Ю-7—10−12.

При разработке и исследовании систем высшей точности особую важность приобретает теоретический анализ источников погрешности, а также экспериментальные исследования, направленные на выявление таких источников, изучение величины их вклада и принятие мер для снижения этого вклада.

Многие утверждения и термины, справедливые как таковые, в отношении систем высшей точности следует пересмотреть и сформулировать более корректно.

Например, в отношении погрешности существует терминология, достаточно верная для большинства практических инженерных задач. Под динамической ошибкой понимают ошибки управления во время переходных процессов, происходящих при переключении управляющего воздействия от одного фиксированного уровня к другому. При анализе систем высшей точности переходный процесс в некоторых случаях может быть исключен из рассмотрения, поскольку зачастую такие системы должны функционировать непрерывно круглосуточно. Переходный процесс как таковой имеет место лишь в самом начале эксплуатации системы, этот процесс может оказаться не столь важным, как свойства системы в стационарном режиме. В этом случае под динамической ошибкой понимают совокупную ошибку, возникающую вследствие изменения внешних условий (действия возмущающих воздействий), или компоненту, порождаемую ограниченной полосой частот системы. Хотя природа этих ошибок одна и та же и пути снижения их также близки, все же это не одно и то же. Ошибка за время переходного процесса может быть исследована детально и вычислена аналитически, тогда как все компоненты ошибок вследствие ограниченной полосы частот системы могут быть достоверно оценены лишь экспериментально, поскольку их полный теоретический анализ чрезмерно сложен и недостаточно достоверен.

В отношении определения статической ошибки существуют близкие проблемы. В обычных системах автоматического регулирования под статической ошибкой понимают ошибку по «нулевым частотам» (в англоязычной литературе для этого используется термин «dc-component», при описании сигналов в форме напряжений и токов этот термин обозначает компоненту «по постоянному току» или «по постоянному напряжению»).

В отношении оценки статической точности традиционных систем, как правило, ограничиваются рассмотрением значения статической ошибки, т. е. предельного значения коэффициента усиления на нулевой частоте/—" 0. Если в контуре присутствует интегратор, то на нулевой частоте коэффициент усиления стремится к бесконечности, а ошибка обратно пропорциональна этому коэффициенту и, следовательно, она равна нулю. Этого достаточно для большинства инженерных задач. По аналогии при рассмотрении систем фазовой автоподстройки частоты (ФАП) на том основании, что фаза есть интеграл от частоты, принято в целом верное утверждение, что ошибка по частоте в фазовых системах равна нулю. Это утверждение справедливо лишь в отношении средней частоты за бесконечно большой интервал времени. Следовательно, оно не справедливо в точности ни для какого ограниченного интервала времени. В инженерных задачах достаточно большой интервал можно считать бесконечно большим, тогда утверждение, что в фазовых системах ошибка частоты равна нулю, справедливо. При оценке нестабильности частоты на уровне единиц четырнадцатого порядка и выше важен тот интервал, на котором эта оценка осуществляется, и частотная ошибка фазовых систем уже не является пренебрежимо малой, а тем более нулевой.

В структурных схемах обычно выходная величина считается доступной для дальнейшего использования. В реальных системах всегда присутствует датчик, который преобразует эту выходную величину в электрический сигнал (напряжение или ток) или цифровой код (отсчет аналого-цифрового преобразователя). При этом погрешностью датчиков, как правило, пренебрегают. Однако погрешность датчика является неустранимой компонентой погрешности системы автоматического регулирования и самой большой проблемой разработки САУВТ. Наряду с этой погрешностью следует принимать во внимание и погрешность реализации электронного устройства или цифрового алгоритма, преобразующего выходной сигнал этого датчика в отсчеты значений оценки выходного сигнала. В теории автоматического управления применяется термин «наблюдатель», который описывает всю эту измерительную систему, но при этом, как правило, в расчет принимаются лишь динамические свойства этого элемента, а не его статическая точность. При анализе САУВТ эти тонкости следует учитывать.