3.4.3. Эвм в режиме супервизорного управления
САУ, функционирующяя в таком режиме супервизорного управления,
имеет двухуровневую иерархическую структуру (см. рис. 3.5).
Рис. 3.5. ЭВМ в режиме супервиорного управления
На нижнем уровне управления локальные регуляторы обеспечвают управление отдельными технологическими параметрами (координатами), воздействуя на соответствующие исполнительные механизмы. На верхнем уровне управления ЭВМ обеспечивает оптимизацию технологических режимов и выработку уставок локальных регуляторов. Входной информацией ЭВМ являются сигналы датчиков отдельных локальных подсистем управления и датчиков ряда технологических параметров, а также корректирующие воздействия оператора. Супервизорное управление, как правило, предполагает наличие адекватной математической модели (моделей) процесса и формальной цели управления. В этом случае ЭВМ решает задачу оптимального управления технологическим процессом. Если математическая модель процесса отсутствует (для сложных объектов управления такая ситуация типична), то ЭВМ берет на себя функцию поиска экстремального (активного или пассивного) управления посредством направленного перебора (метод проб и ошибок) вариантов решений.
Супервизорное управление в принципе позволяет осуществить автоматическое управление технологическим процессом (объектом). При этом роль оператора сводится к наблюдению за процессом (установкой) и, в случае необходимости, к корректировке цели управления, ограничению технологических координат.
3.4.4. Эвм в режиме непосредственного управления
Структура такой САУ прведена на рис. 3.6. В отличие от супервиорного управления здесь ЭВМ берет себя функции локальных регуляторов с задаваемыми уставками, вырабатывая непосредственно управляющие воздействия исполнительными механизмами.
Рис. 3.6. ЭВМ в режиме непосредственного управления
Функции оператора при непосредственном управлении сводятся к наблюдению за процессом и, при необходимости, к коррекции управления,
т. е. реализуется автоматическое управление процессом.
4. Общий подход к проектированию сау.
Этапы проектирования, регламентированные
ГОСТом
4.1. Основные этапы исследования и проектирования сау.
Проектированию САУ всегда предшествует научно-исследовательская работа (НИР).
Основные функции НИР:
Математическое описание ОУ:
1. Требуется определить структуру и параметры ОУ, наиболее существенно влияющие на статические и динамические характеристики ОУ.
2. Максимально упростить математическую модель (ММ) для цели синтеза и максимально усложнить для цели анализа. Потребность в упрощении ММ на этапе синтеза связана с ограниченными возможностями как методов синтеза так и фактором практической реализуемости оптимального управления. Размерность ММ линейных динамических ОУ на этапе синтеза, как правило, не превышает четырех. На этапе анализа, напротив, желательно учесть не только доминирующие, но и второстепенные, на первый взгляд не существенные свойства ОУ.
Применяются частотные и временные методы математического описания, в частности:
1) описание в виде передаточных функций или операторных уравнений;
2) с помощью спектра частотных характеристик ОУ;
3) с помощью корневых методов, годографов, графов;
4) описание в виде дифференциальных уравнений или схем замещения ОУ;
с помощью спектра переходных и импульсных характеристик,
характеризующих динамические свойства ОУ;
с помощью векторно-матричных уравнений или схем пространства
состояний ОУ.
Учитывая, что временная группа методов (4…6) хорошо «ложится» на язык ЭВМ, при исследовании САУ она в последнее время получила наибольшее распространение.
Формулирование критерия качества управления:
(синонимы: целевая функция, цель управления, функционал качества, оценка качества управления и др.)
Быстродействие регулирования:
Записывается
в аналоговой форме:
или в дискретной форме: J=n=min,
где J - критерий качества, n – число тактов дискретного управления;
Точность:
Критерий формулируется в детерминированной или стохастической интерпретации, например для первого случая:
,
где
-
заданная координата,
–ошибка
регулирования,
–интеграл
от ошибки регулирования
(заштрихованная
область на рис. 4.1).
Рис. 4.1. К определению интегральной оценки качества управления
Этот критерий качества имеет недостаток: если ошибка меняет знак, то ее интеграл по времени не фиксирует накопления суммарной ошибки регулирования. Поэтому используются модифицированные критерии качества регулирования:
,
.
Эти критерии позволяют получить интегральную оценку качества регулирования, но не учитывают ограничений на ресурсы управления.
Интегрально-квадратичные
критерии качества – обеспечивают
компромисс между быстродействием и
точностью и ограничивают ресурсы
управления:
,
где U - координата управления,
,
,...,
-весовые
коэффициенты, которые ограничивают
ресурсы управления.
Другие критерии: экономический, энергетический, минимаксный, технико-экономические и т.д.
Синтез САУ.
Структурный синтез. Производят структурную декомпозицию ОУ, выделяя в нем автономные каналы управления, естественные перекрестные связи между каналами управления и те физико-механические свойства, которые позволяют осуществлять развязку механических движений.
Параметрический синтез. Производят параметрическую декомпозицию ОУ. Вообще, в любом ОУ и его канале можно выделить быстрые, средние и медленные движения (например, процессы в контуре тока якоря – быстрые, изменение координаты рабочего органа – медленные, скорости двигателя – средние). Все это позволяет выделить большие и малые постоянные времени, причем малые объединяют в одну эквивалентную постоянную, что позволяет упростить расчеты.
Структурно-параметрический синтез. Он проводится, если метод позволяет проводить такую процедуру. Задача синтеза: создать УУ (структура + параметры), удовлетворяющее заданному критерию качества управления.
Анализ синтезированной САУ.
Рис. 4.2. Обобщенная функциональная схема САУ
Для целей анализа ОУ представляется в полноразмерном описании, т.е. в том виде, в каком он был до структурно-параметрической декомпозиции.
Результат анализа должен ответить на вопрос, удовлетворяет ли синтезированная САУ требуемому качеству.
Если система не удовлетворяет требуемому критерию, то осуществляют корректировку ММ, задач формирования критерия качества (функционала) и синтеза САУ. Возврат к задаче синтеза может быть неоднократным.
Анализ ведется теми же частотно-временными методами исследования систем, что и синтез. Кроме того, завершением этапа анализа является экспериментальное исследование, т.е. работа с физическим ОУ. Обычно при анализе САУ используются:
математическое моделирование (цифровое, аналоговое, цифро-аналоговое);
полунатурное моделирование (симбиоз математической модели и физической установки);
натурное моделирование (применяют критерии подобия модели и объекта и составляют критериальные уравнения).
- экспериментальные исследования САУ физическим ОУ.