Лекция 13. Построение структуры системы управления, программная реализация регуляторов
Большинство систем процессорного (компьютерного) управления содержат в своем составе различные регуляторы, выполненные программным образом либо реализованные аппаратно. В настоящее время на практике используются как аналоговые, так и цифровые регуляторы. Цифровая технология позволяет хорошо моделировать работу аналоговой системы управления. При этом ее возможности гораздо шире. Например, можно построить нелинейные и самонастраивающиеся регуляторы, которые невозможно создать на основе только аналоговых средств. Главная проблема цифрового управления - найти соответствующую структуру регулятора и его параметры. После определения этих параметров реализация алгоритмов управления обычно представляет собой несложную задачу.
Помимо этого каждый регулятор должен обеспечивать защитные функции, предотвращающие опасное развитие процесса в нештатных ситуациях.
Простейшие регуляторы реализуют коррекцию управлений по рассогласованию между заданным и реальным значениями управляемого параметра. Такое рассогласование может быть обусловлено, с одной стороны, изменением задающего воздействия, с другой стороны, - внешними возмущениями.
13.1 Регулятор для упреждающего управления
Можно построить регулятор, который будет использовать соответствующую информацию для упреждающего управления (feedforward control). В структуре такого регулятора два контура (рис. 13.1). Контур упреждающего управления контролирует изменение задающего сигнала и формирует корректирующую поправку к выходному сигналу управления, для того чтобы система более оперативно, с минимальной погрешностью реагировала на входной сигнал.
Рис. 13.1. Структура регулятора с упреждением
Если возмущения, действующие на управляемую систему, имеют предсказуемое поведение и их можно измерить, то можно провести упреждающее управление до того, как выходной параметр изменится значительно. В этом случае регулятор обеспечивает упреждающее управление по возмущению (feedforward from process disturbances), которое в определенных случаях позволяет существенно улучшить качество управления. Эти способы упреждающего управления базируются на предположении относительно будущего поведения системы. Для этого упреждающие регуляторы должны включать в себя модель динамики управляемой технической системы.
Качество упреждающего управления в значительной степени зависит от качества измерения возмущений и точности модели процесса. Любой реальный регулятор должен сочетать в себе упреждающее управление по опорному значению и возмущению с контуром обратной связи. Упреждающее воздействие обеспечивает быструю коррекцию ошибок выходного параметра процесса, обусловленных изменением опорного значения или возмущениями, а обратная связь - более медленную реакцию на изменение выхода процесса.
Главное преимущество обратной связи в том, что она компенсирует неточности модели процесса, погрешности измерений и ошибки выходной величины, связанные с неучтенными возмущениями. Ниже перечислены основные положения, которые необходимо учитывать при создании систем с обратной связью и упреждающим управлением:
-
Механизм обратной связи не вносит коррективы до тех пор, пока не будет обнаружено отклонение в величине выходного параметра. Поэтому "идеальное" управление, при котором управляемая величина точно повторяет измерения опорного значения или некоторое время не влияет на изменение характеристик процесса, практически невозможно.
-
Даже если возмущения известны, обратная связь не может их компенсировать предсказуемым образом.
-
В системах с большими постоянными времени или с большими задержками обратная связь работает неудовлетворительно. При наличии больших и частых возмущений процесс может быть прекращен из-за то го, что он постоянно носит переменный характер и никогда не достигает предусмотренного установившегося состояния.
-
Если точное значение выходной переменной нельзя измерить, управление с обратной связью невозможно.
Причины, затрудняющие упреждающее управление:
-
Для многих приложений невозможно постоянно в оперативном режиме измерять возмущения.
-
Необходимо иметь адекватную модель физического процесса - качество упреждающего управления зависит от точности модели процесса.
-
Во многих случаях упреждающий регулятор должен выполнять точное дифференцирование, которое практически сложно реализовать.
-
Структура регулятора должна включать в себя как упреждающее управление по задающему (опорному) значению и возмущениям процесса, так и обратную связь по выходной величине процесса.