1.2. Общая классификация систем автоматического управления

• По принципу регулирования:

• разомкнутые системы с программным управлением (рис.1.1, а);

• разомкнутые системы с управлением по возмущению (рис.1.1, б);

• замкнутые системы (рис.1.1, в);

• комбинированные системы (рис.1.1, г).

Рис. 1.1. Классификация САУ по принципу регулирования

На рис. 1.1 обозначено:

– регулирующее воздействие;

– ошибка регулирования (невязка);

– управляющее воздействие или выходной сигнал регулятора;

– измерение или выходной сигнал измерительного устройства (ИУ);

и – возмущение объекта и измерительного устройства.

В разомкнутой системе управления информация о текущем состоянии объекта отсутствует либо не используется, управляющее воздействие вырабатывается по заранее составленной программе, а выходной сигнал образуется как непосредственная реакция на это воздействие. Возможность измерения возмущений, нарушающих желаемый ход процесса, повышает эффективность разомкнутого управления благодаря заложенной в регулятор программе компенсации возмущений.

Обратная связь – важнейшее понятие кибернетики и основной принцип функционирования сложных систем, позволяющий в реальном времени в ходе процесса управления уменьшать абсолютное значение ошибки регулирования (рис. 1.1) на основе измерения текущего состояния объекта и сравнения его с регулирующим воздействием .

В системах с обратной связью в отличие от разомкнутых систем, становится возможной компенсация неизмеряемых возмущений благодаря их раннему или позднему влиянию на работу системы в виде увеличения ошибки регулирования (рис. 1.1, в).

Если измерение возмущения является возможным, то введение в систему автоматического управления дополнительного контура управления по возмущению позволяет оперативно противодействовать его вредному влиянию, не дожидаясь, пока это влияние заметно проявится в выходном сигнале системы (рис. 1.1, г).

Более подробно явление обратной связи рассмотрел Норберт Винер, сделав теорию управления с обратной связью, можно сказать, краеугольным камнем целой философской системы – «кибернетики», охватывающей всевозможные аспекты от автоматики до физиологии, психологии, экономики, политики и даже этики.

Время и развитие альтернативных воззрений несколько уменьшили великолепие этой картины, однако управление с обратной связью остается в основе, как важнейших идей, так и полезных технических приложений.

• По цели регулирования

• системы программного управления (цель: , т.е. без использования обратной связи);

• следящие системы: (цель: с помощью обратной связи);

• системы стабилизации (цель: с использованием обратной связи);

• экстремальные системы (цель: экстремум некоторого показателя качества управления).

• По способу формирования сигнала управления регулятором:

• непрерывные, аналоговые системы (рис. 1.2, а);

• дискретные системы, использующие квантование времени и/или уровня сигнала :

• импульсные системы с квантованием времени, в которых информация об уровне сигнала кодируется с помощью амплитудной (рис 1.2, б), широтной (рис. 1.2, в) или фазовой (рис. 1.2, г) модуляции;

• релейные системы с квантованием уровня сигнала (рис. 1.2, д);

• цифровые системы с квантованием по времени и по уровню (рис. 1.2, е);

• системы с гармонической модуляцией.

Рис. 1.2 Классификация систем управления

по способу формирования сигнала управления регулятором

В непрерывных системах управление вырабатывается аналоговыми устройствами автоматики, например, схемами на операционных усилителях. В дискретных системах квантование времени выполняется синхронизирующими устройствами – таймерами, а квантование уровня – аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). В системах, работающих на переменном токе, высокочастотные колебания несущей частоты модулируются в соответствии с величиной и знаком управляющего сигнала низкой частоты.

• По количеству регулируемых координат:

• одномерные системы с одним входом и одним выходом;

• многомерные системы, которые в зависимости от влияния координат делятся на несвязные и многосвязные.

• По характеру изменения параметров во времени:

• стационарные системы, описываемые уравнениями с параметрами, не зависящими от времени;

• нестационарные системы, параметры моделей которых изменяются во времени.

• По распределению параметров в пространстве:

• системы с сосредоточенными параметрами, описываемые обыкновенными дифференциальными уравнениями (ode);

• системы с распределенными параметрами, описываемые дифференциальными уравнениями в частных производных.

• По степени идеализации математического описания:

• линейные системы, описываемые линейными алгебраическими и дифференциальными уравнениями;

• нелинейные системы, описываемые нелинейными уравнениями.

• По соотношению сигнал/шум в передаваемой информации:

• детерминированные системы, в которых отсутствует или не учитывается влияние шума в параметрах и передаваемых сигналах;

• стохастические системы, работающие при высоких уровнях шумов, статические характеристики которых используются в моделях зашумленных элементов.

• По характеру переходных процессов:

• устойчивые системы;

• неустойчивые системы;

• нейтральные системы.

Устойчивость движения объекта как свойство объекта или системы самостоятельно возвращаться в состояние равновесия после прекращения воздействия отклоняющих сил – вовсе не врожденное свойство всех объектов. Простейшая иллюстрация этого факта это движение шарика с трением по различным поверхностям (горизонтальной, сферической выпуклой и сферической вогнутой).

Рис. 1.3 Иллюстрация понятия устойчивости движения объекта

В качестве примера условной устойчивости можно рассмотреть акустическую систему, состоящую из микрофона, усилителя и динамика (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Устойчивость звукоусилительной системы

При слишком близком расположении микрофона от динамических колонок даже в отсутствии голоса возникает процесс самовозбуждения системы вследствие акустической завязки, воспринимаемой на слух как громкий свист на некоторой звуковой частоте.

Причину неустойчивости упрощенно объясняется с помощью коэффициентов усиления устройств и воздушного слоя , имеющих, во-первых, комплексный, а во-вторых, частотно-зависисимый характер. Если на некоторой частоте последовательное соединение блоков в контуре обратной связи имеет коэффициент усиления амплитуды колебаний

и фазовый сдвиг

,

т.е. выполняется условие самовозбуждения (баланс амплитуд и баланс фаз), то малейший сигнал этой частоты, попав в микрофон из внешней среды, лавинообразно усиливается в контуре обратной связи до достижения максимальной конструктивной мощности усилителя.

Устранить неустойчивость можно следующими способами:

• уменьшить , т.е. убавить громкость звука регулятором усилителя;

• уменьшить , т.е. отодвинуть микрофон подальше от динамика.

Таким образом, на плоскости параметров и существуют области устойчивости и неустойчивости системы, разделенные границей устойчивости (рис. 1.5).

При попадании значений параметров в область неустойчивости переходные процессы в системе расходятся до насыщения по максимальной мощности, что приводит к перегреву аппаратуры, аварии, взрыву и другим, нежелательным или катастрофическим последствиям.

Рис. 1.5 Область устойчивости в плоскости параметров .