Принципы управления системы автоматизированного управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принципы управления системы автоматизированного управления

Введение

В процессе работы объект управления подвержен воздействию различных внешних возмущений, вследствие чего управляемая величина отклоняется от требуемого значения. Задачей устройства управления является обеспечение соответствия управляемой величины заданному значению путем передачи на объект управления необходимого управляющего воздействия.

По способу определения управляющего воздействия, необходимого для компенсации отклонения управляемой величины от требуемого значения, различают 3 принципа управления:

управление по возмущению, когда управляющее воздействие на объект формируется в зависимости от величины задающего воздействия и одного или нескольких внешних воздействий на ОУ;

управление по отклонению, когда управляющее воздействие на объект формируется в зависимости отклонения действительного значения управляемой координаты от заданного значения;

комбинированное управление, когда управляющее воздействие на объект формируется в зависимости отклонения действительного значения управляемой координаты от заданного значения и величины одного или нескольких внешних воздействий на ОУ.

Рассмотрим их более подробно.

1. Принцип управления по возмущению

Управление по возмущению основано на принципе компенсации возмущений и является первым принципом автоматического управления. При таком принципе управления управляемый параметр не изменяется, а используется только информация о внешнем воздействии . При этом определяют основное возмущающее воздействие и устанавливают, как необходимо изменять управляющее воздействие на объект управления, чтобы значение управляемых параметров поддерживать неизменным. Функциональная схема такой САУ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структура САУ, построенной на базе принципа управления по возмущению

В САУ, использующей принцип управления по возмущению, управляющее воздействие на объект, определяется как

Определение принципа управления по возмущению: Принцип управления по возмущению заключается в том, что для устранения отклонения вектора выходных параметров от требуемого значения, вызываемого возмущающим воздействием, измеренная величина этого возмущения преобразуется в управляющее воздействие, которое будучи приложено к ОУ, вызывает компенсирующее отклонение управляемой величины противоположного знака по сравнению с отклонением, вызываемым возмущающим воздействием.

Для определения основных закономерностей, присущих для САУ, построенных на базе этого принципа, рассмотрим систему, структурная схема которой представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Структурная схема САУ

В САУ, использующую принцип отклонения по возмущению, входят следующие элементы:

задающее устройство (ЗУ), необходимое для реализации алгоритма работы объекта управления, выражающего в формировании управляющего воздействия ;

измерительный преобразователь (ИП), обеспечивающий измерение выбранного возмущения на объект управления;

функциональный преобразователь (П), формирующий необходимую по условиям работы САУ статическую характеристику тракта измерения.

промежуточный усилитель (У), обеспечивающий формирование требуемого закона управления ОУ.

объект управления (ОУ).

Рассмотрим условия работы этой системы. Для этого определим взаимосвязи между входными и выходными сигналами каждого блока.

Объект управления характеризуется уравнением вида:

.

Канал измерения возмущения может быть представлен выражением вида:

.

Узел суммирования сигналов представляется выражением вида

.

Управляющее воздействие на объект может быть представлено как

.

С учетом этих уравнений сигнал на выходе ОУ определяется как

.

Очевидно, что при

влияние внешнего возмущения на выходную координату САУ будет равно нулю. Условие полной компенсации влияния внешнего возмущения определяется как

.

На рис. 3 приведены внешние характеристики САУ с различной степенью компенсации управляющего воздействия.

Рис. 3. Статические характеристики САУ

Если на ОУ действует несколько возмущений , то уравнение объекта принимает вид:

.

С учетом действия САУ сигнал на выходе объекта управления определяется как:

.

При получаем, что

.

Очевидно, что использование принципа управления по возмущению обеспечивает компенсацию влияния только измеряемых внешних возмущений.

Преимущества такого способа управления:

возможность полной компенсации возмущающего воздействия на объект управления;

Отсутствие информации о подлинном состоянии объекта управления устраняет проблему обеспечения устойчивости управления.

Недостатки:

Устранение влияния лишь тех возмущающих воздействий, для которых созданы компенсационные каналы обработки величин этих воздействий.

Наличие большого числа неконтролируемых возмущений увеличивает погрешность стабилизации выходной координаты.

Изменение условий компенсации влияния внешних возмущений на объект при изменении его параметров, возникающих при изменении условий работы объекта управления и регулятора.

Возможность применения управления только к объектам, качественные и количественные характеристики которых известны.

Одним из способов реализации принципа управления по возмущению является принцип управления по управляющему воздействию (управлению). Ведь если рассмотреть объект управления, то как управляющее, так и возмущающее воздействия являются внешними по отношению к самому объекту управления.

2. Принцип управления по отклонению

Более высокое качество управления позволяют получить замкнутые САУ, в которых используется информация об управляемом параметре (рис. 4). В таких системах измеряется значение управляемого параметра. Устройство управления производит сравнение полученного сигнала с заданным значением и при наличии разности вырабатывается управляющее воздействие, направленное на уменьшение полученной величины рассогласования заданного и измеренного значений параметров. При этом устройство управления стремится компенсировать это отклонение независимо от причин, его вызывающих.

Данный принцип управления иногда называют компенсационным принципом Ползунова-Уатта. Такой способ управления является основным для большинства современных САУ.

Рис. 4. Функциональная схема САУ, построенной на базе принципа управления по отклонению

В САУ, использующей принцип управления по отклонению, управляющее воздействие на объект, определяется как

Рассмотрим систему автоматического управления с обратной связью, структурная схема которой представлена на рис 5.

Рис. 5. Структурная схема САУ, построенной на базе принципа управления по отклонению

В САУ, использующей такой принцип управления входят следующие основные элементы:

задающее устройство (ЗУ), необходимое для реализации алгоритма работы объекта управления, выражающего в формировании управляющего воздействия ;

измерительный преобразователь (ИП), обеспечивающий измерение управляемой координаты;

элемент сравнения (ЭС), выявляющий отклонение управляемой координаты от ее требуемого значения.

промежуточный усилитель (У), обеспечивающий формирование требуемого закона управления ОУ.

объект управления (ОУ).

Принцип работы САУ заключается в измерении управляемой координаты с помощью ИП и сравнении полученного сигнала с задающим . Элемент сравнения выявляет разность этих сигналов, представляющую ошибку управления. Этот сигнал используется для формирования управляющего воздействия на ОУ . Очевидно, что выходная координата является функцией как задающего сигнала , так и своего собственного значения. То есть

.

Первая составляющая выходного сигнала формируется по прямому каналу управления, а вторая - по каналу с обратным направлением передачи информации, называемому каналом обратной связи или просто обратной связью. Так как такая связь обеспечивается элементом сравнения, вычисляющим разность сигналов задания и обратной связи, то такой вид обратной связи называется отрицательной. Если сигнал обратной связи определяется алгебраическим суммированием сигналов задания и обратной связи, то такая связь называется положительной.

Поэтому такой принцип управления называется управлением с обратной связью. Так как в такой САУ присутствует замкнутый контур для прохождения информации, то такие системы называют замкнутыми САУ.

Замкнутой САУ называют систему, в которой процесс управления ОУ зависит от результата управления.

Системы, которые непосредственно не используют конечные результаты управления объектом, называют разомкнутыми. Следовательно, САУ, построенные с использованием принципа управления по возмущению являются разомкнутыми.

Объект управления характеризуется уравнением вида

.

При отсутствии управления при изменении возмущающего воздействия на ОУ на его выходе появляется отклонение управляемого сигнала от требуемого значения. Это отклонения является ошибкой управления при отсутствии обратной связи, то есть в разомкнутой системе. Его величина определяется как

.

Канал измерения сигнала обратной связи может быть представлен выражением вида:

.

Элемент сравнения сигналов представляется выражением вида

.

Управляющее воздействие на объект может быть представлено как

.

С учетом этих уравнений сигнал на выходе объекта управления определяется как

.

Решая это уравнение относительно управляемой координаты ОУ получаем, что

.

Учитывая, что

,

Получаем

.

где - заданное значение управляемой координаты,

-- ошибка управления в замкнутой САУ.

- суммарный коэффициент передачи замкнутого контура управления.

Очевидно, что при достаточно большом коэффициенте передачи замкнутого контура управления ошибка управления в замкнутой системе будет много меньше, чем в разомкнутой. То есть справедливо соотношение

.

Статические характеристики разомкнутой и замкнутой САУ представлены на рис. 6.

Полученное выражение является базовым для определения свойств и параметров замкнутой САУ. Действительно, если известен суммарный коэффициент усиления замкнутой САУ и ее свойства ОУ, т возможно определение ошибки в замкнутой системе. И наоборот, если задана величина ошибки САУ, возможно определение требуемого суммарного коэффициента передачи с помощью следующего неравенства:

.

Рис. 6. Статические характеристики с САУ с обратной связью

Очевидно, что при воздействии на объект нескольких возмущающих факторов, свойства уменьшения ошибки управления сохраняются. Действительно, если ОУ представляется выражением вида

,

сигнал на выходе объекта определяется как

.

Поскольку , то есть это является ошибкой разомкнутой САУ относительно выбранного возмущающего фактора, то выходная координаты ОУ определяется как

.

Следовательно, суммарная ошибка управления в замкнутой САУ определяется как:

.

Преимущества такого способа управления:

Большая гибкость и приспособляемость к различным условиям эксплуатации САУ.

Возможность уменьшения влияния любых внешних возмущений на объект управления.

Малая чувствительность к изменению параметров регулятора и объекта управления.

Недостатки:

Невозможность полного устранения влияния возмущающих воздействий на величину вектора выходных состояний объекта управления.

Возникновение проблем с устойчивостью САУ при попытках увеличения коэффициента усиления системы.

автоматизированный управление комбинированный

3. Комбинированный принцип управления

Совместное использование принципов управления по возмущению и отклонению называется принципом комбинированного управления. В использующих такой принцип управления САУ принцип управления по отклонению реализуется с помощью обратной связи, а принцип управления по возмущению -- с помощью компенсирующих связей.



Рис. 7. Структура САУ, построенной на базе комбинированного принципа управления

При использовании принципа комбинированного управления управляющее воздействие на ОУ определяется как

.

Рассмотрим основные особенности работы такой САУ. Если на ОУ действует несколько возмущений , то уравнение объекта принимает вид:

.

С учетом действия САУ сигнал на выходе объекта управления определяется как:

.

где - коэффициент передачи ИП.

Решая этого уравнение относительно управляемой координаты, получаем

,

где - суммарный коэффициент передачи замкнутого контура управления.

При оптимальной настройке компенсационной связи . Тогда получаем, что

,

где - ошибка разомкнутой САУ относительно выбранного возмущающего воздействия.

При отклонении значения коэффициента компенсационной связи от оптимального на величину получаем, что управляемая координата определяется как:

.

Преимущества такого способа управления:

Полная компенсация ошибок управления, вызываемых основными возмущающими факторами.

Уменьшение ошибок управления, вызываемых неизмеряемыми возмущающими факторами.

Меньшая чувствительность к изменению параметров по сравнению с разомкнутыми САУ.

Менее жесткие требования на величину коэффициента передачи замкнутой САУ, что снижает проблему обеспечения устойчивости системы.

Недостатки:

Конструктивная сложность САУ, связанная с наличием большого числа каналов управления.

Сложность настройки САУ, обусловленная теми же причинами.

Размещено на Allbest.ru

...