Структура и функциональные компоненты сау [1]

Основные компоненты САУ. Система автоматического управления содержит следующие компоненты, обеспечивающие ее функционирование (рис. 3.1.1): объект управления ОУ (управляемый процесс); исполнительные устройства ИсУ; измерительные устройства ИзУ; устройство управления УУ.

Объектами управления технических систем служат кинематические механизмы, электрические системы, тепловые, химические и другие технологические процессы. Состояние объекта характеризуется переменными состояния, к которым относятся угловые и линейные координаты, скорости и другие механические переменные, описывающие движения кинематических механизмов; токи или напряжения электрических элементов схемы; температуры и плотности веществ в тепловых и химических процессах, и любые другие физические величины. Переменные состояния объединяются в вектор состояния.

К регулируемым, или выходным, переменным yj = yj (t) относятся переменные ОУ, по отношению к которым формулируется основная задача управления. Выходные переменные объединяются в вектор выхода. Для кинематических механизмов вектор выхода обычно представлен декартовыми координатами рабочей точки механизма.

Входами ОУ являются управляющие органы, к которым прикладываются воздействия Uj исполнительных устройств ИсУ системы. Это входные оси кинематических механизмов, входные схемы электрических систем, нагревательные элементы и вентили тепловых и химических процессов, к которым приложены силы или моменты сил электроприводов, электрические напряжения и т. д., вызывающие движение (развитие) управляемого процесса.

Объекты с одним входом и одним выходом называются одноканальными. К многоканальным относят объекты с несколькими входами и/или выходами. Они могут иметь каналы, независимые или взаимозависимые друг от друга (многосвязные объекты).

К внешней среде системы управления относятся процессы, оказывающие влияние на поведение управляемого объекта. Среда является источником помех измерения? j (t), возмущающих воздействий fj (t), внешних задающих воздействий.

К возмущающим относят воздействия, препятствующие функционированию объекта. Это могут быть силы сопротивления или трения для кинематических механизмов, температура окружающей среды для тепловых процессов и т. д. Возмущающие воздействия объединяются в вектор возмущений.

Измерительные устройства ИзУ (датчики) предназначены для получения информации об объекте и внешней среде (сигналов y’j), т. е. для электрического измерения выходных переменных, переменных состояния и внешних задающих воздействий. Различают следующие типы измерительных устройств:

• * датчики внутренней информации, предназначенные для измерения переменных объекта (системы управления);
• * датчики внешней информации (сенсоры, средства внешнего контроля) — измерители состояния внешней среды либо положения объекта по отношению к внешним объектам.

В состав измерительных устройств часто включают также вычислительные блоки, осуществляющие первичную обработку информации.

Исполнительные устройства ИсУ — это устройства, предназначенные для усиления маломощных управляющих сигналов uj и создания энергетических воздействий Uj на входах объекта, т. е. управляемые источники механической, электрической или тепловой энергии (электропривод, преобразователь электрической энергии в механическую, и т. п.).

Устройство управления УУ — это блок, обрабатывающий полученную с помощью измерителей текущую информацию о состоянии объекта и внешней среды и формирующий управляющие воздействия uj (информационные сигналы), поступающие на исполнительные устройства объекта. В функции устройства управления входит:

• * идентификация объекта и среды (анализ их текущего состояния и параметров);
• * генерация внутренних задающих воздействий;
• * расчет управляющих воздействий uj по предписанным формулам (алгоритмам).

Укрупненная схема системы управления может быть представлена в виде двух основных блоков, взаимодействующих с внешней средой (рис. 3.1.2).

Объект управления (ОУ) — комплекс элементов системы, включающий в свой состав собственно объект, измерительные и исполнительные устройства. Эта часть САУ обычно проектируется и комплектуется как единое целое и является ее неизменяемой частью. Динамические свойства ОУ (математическая модель) находятся с использованием известных физических законов.

Устройство управления (УУ) — блок, выполняющий вычислительные функции, слабо связанные с физической природой ОУ. Алгоритм его работы определяется динамическими свойствами управляемого процесса (математической моделью ОУ) и задачами системы управления. Современные УУ представляют собой универсальные или специализированные средства вычислительной техники. Их программное обеспечение составляют системные средства и специальные прикладные программы, осуществляющие расчет управляющих воздействий u (t).

Управление сложными системами. Сложная система имеет в своем составе большое число взаимодействующих подсистем и обеспечивает решение сложных комплексных задач. К таким системам относятся информационные сети (телефонные, локальные, Интернет), транспортные сети, производственные процессы, системы управления динамическими объектами (воздушными, космическими), и т. п.

Сложные системы управления имеют следующие признаки:

• * комплексный характер управляемого процесса (объекта), наличие нескольких взаимосвязанных локальных объектов управления;
• * необходимость последовательного решения задачи управления, поочередного выполнения основных действий системы или локальных объектов;
• * иерархическая структура задач управления.

Основным в понятиях сложной задачи и сложной системы является их структурируемость, т. е. возможность разбиения на компоненты меньшей сложности. Выбор таких компонент неоднозначен, а используемая при этом терминология достаточно условна. Принято выделять задачи управления стратегического, тактического и локального уровня.

К стратегическим задачам относят задачи общего технологического характера, поддержания определенной последовательности действий сложного комплексного процесса: изготовление продукта, управление полетом и проч.

Тактическая задача — элемент общей стратегической задачи, устанавливающий требования к поведению каждого элементарного объекта сложной системы и/или осуществлению элементарного режима. К тактическим задачам управления относится задача управления обработкой детали на станке, управления циклом химического процесса.

Локальная задача — это задача изменения или поддержания состояния элементарного объекта. К локальным относятся, в частности, задачи стабилизации скорости вращения двигателя, слежение за внешним объектом или задающим сигналом, и т. п.

Таким образом, понятие сложной задачи предусматривает возможность расчленения общей стратегической задачи на ряд более простых задач, решаемых последовательно или параллельно. Отсюда вытекают следующие принципы управления сложной системой:

• * декомпозиция — расщепление сложной задачи и сложного объекта на более простые компоненты (подзадачи и локальные объекты);
• * децентрализация — выделение собственных устройств управления или программных средств (алгоритмов), обеспечивающих решение отдельных подзадач управления локальными объектами;
• * иерархическое управление — введение определенной подчиненности подзадач разного уровня сложности и соответствующей подчиненности устройств управления;
• * многорежимное управление (временная декомпозиция) — последовательное переключение решаемых задач и устройств управления.

Локальные задачи управления устанавливают желаемый характер изменения переменных объекта управления. В зависимости от структуры объекта различают задачи одноканального и многоканального управления (рис. 3.1.3).

В одноканальных задачах управления, к которым относятся задачи стабилизации, слежения и терминального управления, выходная переменная y (t) является скалярной функцией времени.

Задача стабилизации или регулирования (рис. 3.1.4-а) формулируется как задача поддержания выходной переменной на заданном уровне узад = у* = const:

y (t) > у* = const, t > ?.

Задача слежения (рис. 3.1.4-b) — это задача соблюдения заданного закона y*(t) изменения переменной у (t):

y (t) > у*(t), t > ?.

При этом различают:

• * задачи слежения за внешним объектом, когда функция y*(t) является выходом внешнего объекта и заранее неизвестна;
• * задачи программного управления, в которых программа движения y*(t) генерируется специальным задающим блоком ЗБ, входящим в состав САУ.

Система автоматического управления, решающая задачу слежения, называется следящей системой. Сигнал y*(t), определяющий требуемый закон движения системы, называется задающим воздействием. Сигнал.

ty*(t) — y (t),.

характеризующий текущее значение отклонения выходной переменной от задающего воздействия, называется рассогласованием, отклонением или ошибкой управления. Задачи стабилизации и слежения иначе могут быть сформулированы как задачи поддержания нулевого значения рассогласования, т. е. (t) > 0.

Задача терминального управления заключается в «перемещении» объекта управления в заданную конечную (терминальную) точку yf:

y > yf = const.

Особенность терминальной задачи, в отличие от стабилизации, заключается в том, что величина начального отклонения ?(0) = yf — у (0) может быть достаточно велика. Это обусловливает необходимость выбора особой стратегии управления (минимизации быстродействия или энергетических затрат, ограничений на управляющие сигналы и переменные состояния и т. д.).

Полное устранение рассогласования? в реальных системах не достигается, в силу влияния на систему в реальной среде возмущающих воздействий f (t), ограниченной точности измерительных датчиков и погрешности работы собственно системы стабилизации. Для оценки эффективности решения задач управления вводятся показатели качества управления.

Различают динамические показатели, определяющие качество переходного режима работы системы, к которым относятся различные количественные (числовые) оценки быстродействия и колебательности системы, и точностные показатели, определяющие погрешность системы в установившемся режиме, т. е. по окончании переходного процесса. К динамическим показателям относятся время переходного процесса to (от момента воздействия на систему управляющего или возмущающего сигнала до момента установления нового стабильного состояния равновесия с заданной степенью погрешности) и перерегулирование (относительная величина первого, как правило — максимального, выброса ошибки ?(t) на колебательном переходном процессе), а к точностным — погрешность стабилизации или слежения, которая связана с установившимся значением ошибки? у (t) при t>? в номинальном равновесном состоянии системы.

Многоканальное управление. В многоканальных задачах управления выходом объекта служит векторная переменная (вектор выхода), и, следовательно, векторными переменными являются также задающие воздействия (вектор задания) и рассогласование (вектор ошибок). Формулировки основных задач многоканального управления (стабилизации, слежения и терминального управления) практически не отличаются от одноканальных. Кроме них для многоканальных объектов возникают задачи декомпозиции и согласованного управления.

Задача согласованного управления предусматривает организацию принудительного взаимодействия каналов системы с целью поддержания заданных соотношений выходных переменных yj (t). Такие соотношения (условия согласования), в простейших случаях принимают вид равенств вида у1(t) = f (y2(t)), соответствующих синхронному движению отдельных частей (каналов) сложной системы. В более общем случае условия согласования записываются в виде: f (y1, y2) =0, где f (*) — заданная функция. Согласованное управление требует координации управляющих воздействий uj (t).

Наиболее наглядные задачи терминального и согласованного управления возникают при управлении пространственным движением многозвенных механических объектов (роботов, станочных механизмов, транспортных средств). Здесь в качестве выходных переменных системы обычно выступают декартовы координаты yj рабочей точки механизма в трехмерном физическом пространстве R3 или двумерном R2, а задача перемещения рабочей точки механизма из начального положения в точку {yfj} относится к многоканальным терминальным задачам.

Задача декомпозиции в противоположность задаче согласования заключается в устранении взаимного влияния каналов системы с целью сведения задачи управления многосвязным объектом к нескольким более простым одноканальным задачам. Это достигается с помощью соответствующих алгоритмов коррекции управляющих воздействий.

Регуляторы и задающие блоки. В состав устройства управления системы, предназначенной для решения локальных задач, входят задающий блок (ЗБ) и регулятор выходных переменных (рис. 3.1.5).

В современных системах блоку не обязательно соответствует физическое устройство. Это может быть и алгоритм или программа расчетов требуемых переменных (сигналов).

Регулятором называется блок (алгоритм), рассчитывающий управляющее воздействие u (t) с целью решения локальной задачи управления. Регуляторы в системах автоматизации служат для обеспечения определенного качества стабилизации технологических параметров на заданном уровне. Алгоритмом управления называется набор аналитических выражений, используемых для расчета управляющих воздействий, или система операций, выполняемых по определенным правилам. Типовой алгоритм управления, это математическая зависимость между выходным регулирующим воздействием u (t) и входным отклонением е регулируемой величины y от заданного значения y*. Входной величиной для регулятора является сигнал е, а выходной — регулирующее воздействие u:

u (t) = U ((t), у*(t),…).

В качестве оператора U (*) могут выступать как алгебраические и трансцендентные функции, так и интегро-дифференциальные операторы, булевы функции и пр.

Простейшими алгоритмами управления (регуляторами) являются регуляторы отклонения вида: u (t) = U (?(t)). В практике принято рассматривать три типовых закона регулирования: пропорциональный П, интегрирующий И, дифференцирующий Д. На базе этих законов в регуляторах реализуют более сложные алгоритмы, являющиеся комбинацией основных: пропорционально-интегральный ПИ, пропорционально-дифференциальный ПД, пропорционально-интегральнодифференциальный ПИД, и т. п.

Уравнения основных типовых регуляторов:

· П — пропорциональный (статический):

u (t) = kп (t) W (p) = kп.

· И — интегральный (астатический):

u (t) = kи () d, W (p) = kи/Tиp.

· ПИ — пропорционально-интегральный (изодромный):

u (t) = kп (t) (kи/Ти)() d, W (p) = kп + kи/(Тир).

· ПД — пропорционально-дифференциальный:

u (t) = kп (t) kдТи d (t)/dt, W (p) = kп + kдТдр.

· ПИД — пропорционально-интегрально-дифференциальный:

u (t) = kп (t) kдТд d (t)/dt (kи/Ти)() d W (p) = kп + kдТдр + kи/(Тир).

где kп, kд, kи — постоянные коэффициенты.

Задающим блоком называется блок (алгоритм), осуществляющий расчет задающего воздействия y*(t). К простейшим задающим блокам можно отнести задающие рукоятки, реостаты, пульты, генерирующие сигналы для задач стабилизации, где у* = const. В более совершенных системах это аппаратно или программно реализованные генераторы задающих сигналов.

Специальные блоки систем управления. Вспомогательные задачи определения (идентификации) неизмеряемых переменных и неизвестных параметров возникают как в САУ, так и в системах автоматического контроля. Это:

• * оценивание переменных состояния объекта в условиях действия шумов (фильтрация, сглаживание, предсказание);
• * идентификация параметров, оценивание неизвестных параметров системы.

Для решения перечисленных задач используются наблюдатели и идентификаторы.

Наблюдателем называется блок (алгоритм), предназначенный для оценивания переменных состояния ОУ или внешней среды. Структура наблюдателя включает в себя модель объекта управления, которая вырабатывает прогнозные текущие значения оценки yп (t) выходной переменной y (t). Поведение модели корректируется за счет обратных связей по ошибке наблюдения (невязке).

y (t)= yп (t) — y (t).

Наблюдатели применяются также в системах управления состоянием, в которых не все переменные состояния могут быть измерены или результаты измерения содержат значительные помехи.

Математическая модель (уравнение) объекта управления может содержать коэффициенты? j — массо-инерционные, электрические, термодинамические и пр. параметры управляемого процесса и других используемых в САУ устройств. В тех случаях, когда значения параметров изменяются во времени или заранее неизвестны, появляется необходимость в использовании идентификаторов параметров.

Идентификатором называется блок (алгоритм) вида ?(t)= ?(у (t), u (t), …), где ?(*) — динамический оператор, предназначенный для оценивания параметров ОУ по имеющейся информации о текущем состоянии у (t) и входном воздействии u (t) объекта, т. е. для расчета в реальном времени значений ?(t). Идентификаторы применяются в адаптивных системах управления, в которых параметры регулятора не устанавливаются заранее, а настраиваются в процессе работы. В таких системах часто используются адаптивные алгоритмы управления вида u (t) = U (?(t), у*(t), ?(t),…), а вектор оценки (t) может быть получен с помощью алгоритма идентификации.