§ 1.3. Принципы управления и регулирования

Первым принципом управления, который человек применил в своей практической деятельности, является принцип уп­равления по отклонению (принцип Ползунова). Характерной особенностью этого принципа является наличие рассогласования между заданным и текущим значениями управ­ляемого параметрах объекта управления. Регулятор Р (рис. 1.4, а) вступает в действие и изменяет величину управляющего воздей­ствия (л только после того, как в результате действия возмущений управляемый параметр отклонился от заданного значения. Боль­шая часть современных автоматических систем работает по этому принципу. Управление по этому принципу возможно только в том случае, если обратная связь, передающая информацию о теку­щем значении управляемой величины в элемент сравнения, яв­ляется отрицательной, т. е. направление действия заданного значения управляемой величины и сигнала обратной связи противоположно. В этом случае Е=g-х_0с. Важной особенностью управления по отклонению является независимость управляю­щего воздействия от причины возникновения отклонения. Недо­статком является возникновение сигнала ошибки.

Устранение основного недостатка принципа управления по отклонению возможно в случае, если управляющее воздействие будет функционально связано с первопричиной возникновения рассогласования — возмущающим воздействием. Такой принцип называется управлением по возмущению. Пре­имущество этого принципа в том, что в случае появления воз­мущения (рис. 1.4, б) регулятор так изменяет управляющее воздействие, чтобы в дальнейшем рассогласование не возникло. Таким образом обеспечивается нейтрализация возмущения в мо­мент его появления. В реальных, системах, когда на объект управ­ления действует большое количество возмущений, для нейтра­лизации каждого из возмущений потребовался бы регулятор. Естественно, что при этом усложнится конструкция всей авто­матической системы и увеличится ее состав и стоимость. Недо­статком этого принципа управления является также и отсутствие зависимости между управляющим воздействием и результатом этого воздействия на объект, характерной для принципа управ­ления по отклонению.

Принцип комбинированного управле­ния (рис. 1.4, б) объединяет достоинства обоих рассмотренных способов управления. Этот принцип позволяет обеспечить наибо­лее высокую точность управления и регулирования.

§ 1.4 Классификация автоматических систем

Автоматические системы, реализующие алгоритм функциони­рования, могут быть отнесены к двум основным классам.

Автоматические системы первого класса выполняют свои функ­ции по жесткой заданной программе и не используют информацию о фактическом протекании процесса. Главная обратная связь, по которой в автоматических системах передается рабочая ин­формация, в системах этого класса отсутствует. Подобные ав­томатические системы называются циклическими, или безрефлексными (детерминированными), с жесткой про­граммой управления. Безрефлексные автоматические системы являются разомкнутыми. На предприятиях по изготовлению

мебели такие системы широко распространены в виде различных автоматических станков и автоматических линий, выполняющих определенные операции технологического процесса (раскрой ма­териалов, фрезерование, фанерование и т. д.). Все они работают по определенной программе и никак не учитывают фактическое протекание выполняемых операций, т. е. автоматическая под­стройка в них отсутствует. Работа таких систем полностью опре­делена их конструкцией и начальной настройкой. Более подробно безрефлексные системы будут рассмотрены в III разделе пособия.

Автоматические системы второго класса функционируют в за­висимости от фактического протекания управляемого процесса. Такие системы называются ациклическими, или информационными (рефлексными), с замкнутой обратной связью. В информационной системе происходит непрерывный обмен информацией между управляемым объектом и управля­ющей системой. Управляющая система исходя из поставленной перед ней цели и полученной текущей информации вырабатывает управляющие воздействия, реализующие алгоритм управления. Автоматическая система, самостоятельно вырабатывающая алго­ритм управления управляющего устройства, является системой управления, или самоприспосабливающейся системой. К таким системам относятся различные виды оптимальных и экстремаль­ных систем.

Автоматические системы регулирования (АСР) являются тоже замкнутыми системами, но их задачей является обеспечение с тре­буемой точностью конкретного алгоритма управления. Далее мы подробно разберем именно этот класс автоматических систем, имеющих важное практическое значение.

По виду задающей величины АСР подразделяются на системы автоматической стабилизации, системы программного регули­рования и следящие системы. В системе автомати­ческой стабилизации алгоритм функционирования содержит предписание поддерживать управляемую величину на постоянном уровне, т. е. g (t) = const. Возмущающие воздей­ствия z (t), действующие на систему, отклоняют управляемую величину от заданного значения. Главная цель управляющего устройства - выработать такие управляющие воздействия, чтобы не допустить отклонений управляемой величины от заданного уровня.

Для программной автоматической си­стемы алгоритм функционирования содержит предписание изменять управляемую величину по определенному закону, т. е. g (t) = F (t), где F (t) — определенная функция времени.

Цель управляющего устройства — не допустить отклонения управляемой величины от требуемого закона ее изменения.

В следящей автоматической системе ал­горитм функционирования содержит предписание изменять управ­ляемую величину в соответствии с неизвестным законом изменения некоторой переменной величины, действующей на входе автоматической системы. В этом случае g (t) = Var.

В зависимости от характера временного изменения сигналов, передаваемых от одного элемента системы к другому, автомати­ческие системы подразделяются на непрерывные, релейные и импульсные. Системы, в которых непрерывному изменению вход­ных величин соответствует непрерывное изменение выходных величин, называются непрерывными. В таких системах в любой момент времени каждому значению ошибки регулиро­вания соответствует свое значение управляющего воздействия. Системы, в которых непрерывному входному сигналу хотя бы одного из элементов соответствует последовательность импульсов, амплитуда, длительность и частота повторения которых зависят от входного сигнала элемента в отдельные (дискретные) моменты времени, называются импульсными. Системы, в которых сигнал на выходе, по крайней мере, одного из элементов изме­няется скачком всякий раз, когда сигнал на его входе проходит через некоторые фиксированные значения (пороговые значения), называются релейными. Далее будет показано, что релей­ные системы наиболее широко используются в системах авто­матизации объектов на предприятиях по ремонту и изготовлению мебели.

По числу замкнутых контуров регулирования АСР разделяются на одноконтурные и многоконтурные. Одноконтурные системы имеют только одну главную обратную связь и не имеют местных прямых или обратных связей. Многоконтурн ы е системы имеют несколько прямых или обратных связей. Многоконтурными являются и системы, в которых управляемые объекты имеют несколько управляемых величин. В этом случае система имеет несколько главных обратных связей по числу управляемых величин. Среди систем с несколькими управляемыми величинами отличают системы несвязанного и свя­занного регулирования. Системами несвязан­ного регулирования называются такие, в которых работа одного из замкнутых контуров регулирования никак не сказывается на работе других контуров регулирования. И наобо­рот, если работа одного из контуров регулирования оказывает влияние на другие контуры, то такие системы называются системами связанного регулирования. При­мером такой системы может быть система кондиционирования воздушной среды в цехе. Назначение такой системы заключается в поддержании определенной температуры и относительной влаж­ности воздуха. Однако регулирование температуры воздуха обя­зательно приведет к изменению его относительной влажности, и наоборот. Расчет таких систем значительно сложнее и далее рассматриваться не будет.

По наличию источника вспомогательной энергии АСР подразде­ляются на системы прямого и непрямого действия. Если чувстви­тельный элемент системы развивает достаточную мощность и не­посредственно без дополнительного источника энергии воздей­ствует на регулирующий орган, то это система прямого действия. Эти системы наиболее простые и дешевые. Однако они не способны обеспечить высокую точность регулирования и сложный алгоритм управления. В системах, в которых чув­ствительный элемент не может развить достаточной мощности для перестановки регулирующего органа, обычно используют усилители мощности. Такие системы называются системами непрямого действия. Это наиболее распространенный тип систем.

По виду динамических процессов, протекающих в системах регулирования или по виду дифференциальных уравнений, кото­рые описывают протекающие в системе динамические процессы, АСР разделяются на линейные и нелинейные.

Система, в которой динамика процессов описывается линей­ным дифференциальным уравнением (или любым другим линей­ным временным уравнением), называется линейной. Оче­видно, динамические процессы в любом элементе линейной системы тоже описываются линейными, уравнениями. Линейные системы могут обеспечить только линейные алгоритмы управления и, следовательно, регуляторы, реализующие эти алгоритмы, яв­ляются также линейными. В промышленных системах автома­тизации различают следующие типы линейных регуляторов: пропорциональные (П-регуляторы), интегральные (И-регуляторы), пропорционально-интегральные (ПИ-регуляторы), пропорцио­нально-интегрально-дифференциальные (ПИД-регуляторы), про­порционально-дифференциальные (ПД-регуляторы).

Система, в которой динамика процессов описывается нели­нейными уравнениями, называется нелинейной авто­матической системой регулирования (НАСР). Очевидно, система является нелинейной, если хотя бы один из ее элементов описывается нелинейными уравнениями. В неко­торых случаях нелинейные алгоритмы управления создаются специально, чтобы обеспечить особые свойства системы. Так, например, оптимальные по быстродействию системы управления используют толькон елинейные алгоритмы управления, реали­зованные на нелинейных звеньях системы.

При действии на систему возмущений в ней возникают пере­ходные процессы (переход системы из одного установившегося состояния в другое), определяющиеся видом дифференциальных уравнений, которыми описываются все элементы системы, и на­чальными условиями. В некоторых случаях после затухания переходных процессов система возвращается в прежнее состояние без остаточного отклонения (статической ошибки регулирования).- В других случаях наблюдается остаточное отклонение. В зави­симости от наличия статической ошибки регулирования системы разделяются на статические и астатические.

Система, имеющая в установившемся состоянии статическую ошибку регулирования, называется статической. Вели­чина статической ошибки регулирования статической системы зависит от величины возмущения и внутренних свойств системы. Система, в которой при воздействии с течением времени, стре­мящимся к некоторому постоянному значению, ошибка регули­рования стремится к нулю, называется астатической.

По виду энергии, используемой в процессе регулирования, АСР разделяются на электрические, пневматиче­ские, гидравлические и комбинированные. Возможна классификация автоматических систем и по другим признакам.