Введение. 
Система автоматического управления

Управление объектом с помощью технических средств без участия человека называется автоматическим управлением. Совокупность объекта управления и средств автоматического управления называется системой автоматического управления (САУ). Основной задачей автоматического управления является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин в объекте управления.

Эксплуатация современных САУ подразумевает тесное взаимодействие специалистов различных профилей, и, в первую очередь, технологов, знающих «физические» особенности управляемых процессов; специалистов по автоматическому управлению, обеспечивающих разработку алгоритмов управления и контроля, и специалистов по средствам автоматизации программирования.

Классификация САУ

Классификация САУ по принципам управления

Принципы управления являются одним из признаков классификации САУ и определяются объемом информации, используемым управляющим устройством для выработки управляющих воздействий. Различают принципы управления по разомкнутому циклу, по замкнутому циклу и комбинированный принцип управления.

При управлении по разомкнутому циклу для формирования управляющих воздействий необходима только информация о задающем и иногда, о некоторых возмущающих воздействиях. Блок-схема такой системы показана на рис. 3, ее особенностью является отсутствие контроля за поведением объекта управления.

Рис. 3. Управление по разомкнутому циклу

Рассмотрим пример простейшей системы, работающей на этом принципе. На рис. 4. изображена схема управляемого генератора постоянного напряжения, работающего следующим образом. С помощью потенциометра П снимается напряжение x, питающее обмотку возбуждения ОВ генератора постоянного напряжения Г, ротор которого вращается с постоянной скоростью w .

Взаимодействие магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения и обмоткой ротора, приводит к появлению ЭДС e на щетках генератора. Полагая нагрузку выходной цепи генератора активным сопротивлением Rн, получим на нем напряжение y, контролируемое вольтметром V. При всех постоянных факторах, таких, как сопротивление нагрузки Rн, скорость вращения ротора w и др., напряжение y будет зависеть от величины x. Управление выходной величиной y будет осуществляться с помощью задающего воздействия x.

Рис. 4. Схема генератора напряжения без обратной связи

Предположим, что мы установили требуемое значение напряжения y, однако после этого величина нагрузки Rн, скачкообразно изменилась (рис. 5.).

Рис. 5. Характер изменения переменных у генератора без обратной связи

Это приведет к тому, что при прежней величине x выходное напряжение y изменится, так как оно зависит от сопротивления нагрузки.

Падение этого напряжения никак не отразится на характере управления. Таким образом, при прежнем значении задающего воздействия x выходная координата y изменится за счет изменения внешнего воздействия (нагрузки). Этот пример показывает, что в системах, работающих по разомкнутому циклу, нежелательные отклонения выходного процесса управляющим устройством не учитываются и не компенсируются. Для улучшения качества системы можно было бы измерять величину сопротивления нагрузки и в соответствии с этим изменять величину x. Очевидно, что техническая реализация подобного способа сложна, тем более, что ряд возмущающих воздействий измерить невозможно или измерения могут проводиться с большими погрешностями. Рассмотренный пример позволяет утверждать, что качество систем, работающих по разомкнутому циклу, как правило, невысокое, а возможности измерения возмущающих воздействий для компенсации их вредного влияния ограничены. По этим причинам принцип управления по разомкнутому циклу нашел ограниченное применение на практике.

При управлении по замкнутому циклу управляющее устройство использует информацию как о задающем воздействии x, так и о значениях выходных координат объекта y. Эта информация поступает через устройство обратной связи (УОС). Блок-схема системы изображена на рис. 6. Влияние возмущающих воздействий в таких системах оценивается путем контроля за текущими значениями выходных координат. В управляющем устройстве эта информация сравнивается с желаемым законом изменения y (t) и в соответствии с этим вырабатываются управляющие воздействия, корректирующие ход изменения выходных координат объекта.

Рис. 6. Управление по замкнутому циклу

Рассмотрим простейший пример системы такого рода. На рис. 7. изображена схема генератора постоянного напряжения с обратной связью. В ее основе лежит схема, ранее изображенная на рис. 4. Особенности работы состоят в следующем. Выходное напряжение y подается на обмотку соленоида С, и в зависимости от значения этого напряжения сердечник соленоида, прикрепленный с одной стороны к пружине Пр, будет либо больше, либо меньше втягиваться внутрь соленоида. К тяге, стоящей между сердечником и пружиной, может крепиться движок задающего потенциометра. После установки желаемого напряжения y движок потенциометра закрепляется на тяге сердечника. Если по каким-либо причинам произошло уменьшение напряжения y (например, при уменьшении Rн), то сердечник соленоида выдвинется из соленоида и сместит движок потенциометра вверх. Напряжение возбуждения увеличится и тем самым возрастет напряжение y (рис. 8.) Параметры соленоида можно подобрать так, чтобы уменьшение напряжения y за счет изменения сопротивления нагрузки Rн скомпенсировалось увеличением напряжения возбуждения. Таким же образом будет работать система и при непреднамеренном увеличении y, только при этом напряжение возбуждения x уменьшится. Важно подчеркнуть, что причины, которые нарушили нормальную работу этой системы, не играют роли, так как управление происходит путем измерения конечного эффекта управления — выходного напряжения y. Как и в предыдущем примере, рассматриваемая система работает без участия человека, то есть автоматически. Однако за счет включения устройства обратной связи через соленоид качество работы можно значитель-но повысить, что видно из сравнения рис. 5. и рис. 8.

Рис. 7. Схема генератора напряжения с обратной связью

Обобщая выводы из последнего примера, можно сказать, что в системах, работающих по замкнутому циклу, происходит автоматическая компенсация влияния возмущающих воздействий без их непосредственного измерения. Она осуществляется за счет измерения выходных координат объекта управления и сравнения их с желаемыми значениями. Управляющие воздействия вырабатываются на основе этого сравнения.

Системы с замкнутым циклом управления обладают более высоким качеством и поэтому нашли широкое практическое применение. Благодаря наличию устройства обратной связи они называются системами с обратной связью, или замкнутыми системами.

В случае использования комбинированного принципа, управляющее устройство содержит два канала: один из них работает на принципе разомкнутого цикла, а другой — на принципе замкнутого. Блок-схема подобной системы показана на рис. 9. Системы такого рода соединяют в себе свойства предыдущих систем.

Классификация по принципам управления отражает фундаментальные идеи, положенные в основу построения САУ, и определяет общую структуру системы.