Классификация систем автоматического управления

Классифицировать системы автоматического управления можно по методу управления и функциональному признаку. По методу управления все системы делятся на два больших класса: обыкновенные (несамонастраивающиеся) и самонастраивающиеся (адаптивные).

Обыкновенные системы , относящиеся к категории простых, не изменяют своей структуры в процессе управления. Они наиболее разработаны и широко применяются в литейных и термических цехах. Обыкновенные системы автоматического управления подразделяют на три подкласса: разомкнутые, замкнутые и комбинированные системы управления.

Разомкнутые системы автоматического управления в свою очередь делят на системы автоматического жесткого управления (САЖУ) и системы управления по возмущению.

У первых систем регулятор воздействует на объект управления независимо от полученного результата, т. е. значения регулируемой величины и внешнего возмущения. Системы управления по возмущению работают по принципу, когда управляющее воздействие вырабатывается в зависимости от внешнего возмущения, оказывающего влияние на объект управления.

В качестве примера можно рассмотреть систему отопления литейного или термического цеха. В этом случае расход горячей воды в теплотрассе цеха зависит от внешних погодных условий. Чем холоднее на улице, тем больше подается горячей воды в батареи отопления, и наоборот.

Замкнутые системы автоматического управления , работающие по принципу отклонения, называют также системами автоматического регулирования (САР). Их отличительной чертой является наличие замкнутого контура прохождения сигналов, т. е. наличие обратного канала, по которому информация о состоянии регулируемой величины передается на вход элемента сравнения.

Системы автоматического регулирования предназначены для решения трех задач: стабилизации регулируемой величины (стабилизирующая САР), изменения регулируемой величины по известной (программная САР) или неизвестной (следящая САР) программам.

В стабилизирующих САР заданное значение регулируемой величины постоянно. Примером такой системы может служить система регулирования температуры в рабочем пространстве термической печи. В программных САР значение регулируемой величины изменяется во времени по заранее разработанной (известной) программе.

В следящих системах заданное значение регулируемой величины изменяется во времени по заранее неизвестной программе. Следящие и программные САР отличаются от стабилизирующих принципом обработки задающего сигнала.

Наиболее типичным примером следящего регулирования является автоматическое поддержание заданного соотношения между расходами топлива и воздуха при регулировании процесса горения в топливных плавильных и нагревательных печах.

Системы автоматического управления: а — разомкнутая, б — разомкнутая по отклонению, в — замкнутая, г — комбинированная, д — самонастраивающаяся, Р — регулятор, ОУ — объект управления, ЭС — элемент сравнения, УАВ — устройство анализа задающего воздействия: ВУ — вычислительное устройство, ИУ — исполнительное устройство, АУУ — автоматическое управляющее устройство, УАО — устройство анализа объекта управления.

Комбинированные системы сочетают в себе достоинства систем управления по отклонению и по возмущению, что повышает точность управления. Действие неучтенных возмущений в комбинированных системах компенсируется или ослабляется управлением по отклонению.

Самонастраивающиеся (адаптивные) системы можно разделить на три подкласса: экстремальные системы, системы с самонастройкой параметров и системы с самонастройкой структуры.

Системами экстремального регулирования называют системы стабилизирующего, следящего или программного управления, у которых настройка, программа или закон воспроизведения автоматически изменяются в зависимости от изменения внешних условий или внутреннего состояния системы с целью создания наивыгоднейшего (оптимального) режима работы объекта управления.

В таких системах вместо постоянной настройки или программы устанавливается устройство автоматического поиска, которое проводит анализ какой-либо характеристики объекта (коэффициента полезного действия, производительности, экономичности и т. п.) и в зависимости от полученного результата подает в управляющее устройство требуемое значение регулируемой величины так, чтобы данная характеристика получила экстремальное значение при непрерывном изменении различных возмущающих воздействий, оказывающих влияние на условия работы системы.

В системах с самонастройкой параметров при изменении внешних условий или характеристик объекта регулирования происходит автоматическое (не по заранее заданной программе) изменение варьируемых параметров управляющего устройства с целью обеспечения устойчивой работы системы и поддержания регулируемой величины на заданном или оптимальном уровне.

В системах с самонастройкой структуры при изменении внешних условий и характеристик объекта управления происходит переключение элементов в схеме соединений или введение в нее новых элементов. Целью таких изменений (отбора) структуры является достижение лучшего решения задачи управления.

Отбор структуры осуществляется путем автоматического поиска с применением вычислительных и логических операций. Такие системы должны не только приспосабливаться ко всем изменениям внешних условий и характеристик объекта, но и функционировать нормально даже при наличии неполадок или отказов отдельных элементов, создавая новые цепи взамен нарушенных. Системы с самонастройкой структуры можно заставить самосовершенствоваться, «приобретать опыт» путем быстрого опробования нескольких вариантов, отбора и «запоминания» лучшего из них.

Согласно классификации по функциональному признаку все автоматические системы управления подразделяют на четыре класса :

системы для координации работы механизмов,

системы регулирования параметров технологических процессов,

системы автоматического контроля,

системы автоматической защиты и блокировки.

Системы, предназначенные для координации работы отдельных механизмов установки или установки в целом, являются системами автоматического жесткого управления (САЖУ) .

Системы автоматического регулирования (САР) технологических процессов обеспечивают поддержание регулируемой величины на заданном уровне или изменение ее по заданной программе.

Системы автоматического контроля (САК) содержат средства и методы для получения информации о текущих значениях параметров технологических процессов (температуры, давления, запыленности или загазованности воздуха и др.) без непосредственного участия человека.

Системы автоматической защиты (САЗ) и блокировки (САБ) предотвращают возникновение, аварийных ситуаций в работе оборудования при установившемся режиме.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Какие бывают сау по способу управления

Система, в которой все рабочие и управленческие операции выполняются без непосредственного участия человека, называется системой автоматического управления (САУ). Если же часть операций выполняется людьми, то говорят об автоматизированной системе управления (АСУ).

В основу построения САУ положены общие принципы управления, реализация которых позволяет увязать заданный алгоритм функционирования с фактическим состоянием системы. К ним относятся:

— принцип управления по задающему воздействию;

— принцип управления путем компенсации возмущения (помехи);

— принцип управления с учетом обратной связи;

— принцип комбинированного управления.

Суть первого из них, называемого также принципом разомкнутого управления, состоит в том, что управляющий сигнал U(t) формируется путем функционального преобразования входного сигнала X(t) без учета значения сигнала на выходе системы:

САУ, реализующая подобный принцип, называется разомкнутой .

При использовании второго принципа управляющий сигнал U(t) формируется с учетом возмущающего воздействия f(t), то есть помехи. Этот принцип обеспечивает более гибкое управление, но применим лишь в том случае, когда помеху можно измерить. Специальное устройство, воспринимающее помеху, не только определяет ее параметры, но и формирует дополнительный сигнал, подаваемый на объект управления. Алгоритм управления в данном случае содержит информацию как о задающем, так и о возмущающем воздействии:

Принцип управления по обратной связи обеспечивает формирование управляющего воздействия U(t) с учетом фактического значения выходного сигнала Y(t), часть которого в виде контрольного сигнала Z(t) возвращается на вход системы. Его называют также принципом замкнутого управления или принципом управления по замкнутому контуру . Его алгоритм может быть представлен в следующем виде:

В САУ, реализующих подобный принцип, автоматическое управляющее устройство стремиться ликвидировать все отклонения выходного сигнала Y(t) от желаемого значения независимо от причин, вызвавших эти отклонения, включая любые внешние помехи f(t), а также изменения параметров самой системы.

Поэтому такие системы нашли широкое распространение в технике, а понятие об обратной связи является одним из основных в автоматике и кибернетике.

Комбинированное управление представляет собой сочетание принципов управления по разомкнутому и замкнутому циклам одновременно.

6.1.2. Классификация систем автоматического управления

Классификация систем автоматического управления (САУ) осуществляется по наиболее важным их свойствам.

В зависимости от цели управления различают стабилизирующие, программные и следящие системы.

Стабилизирующей называется автоматическая система, алгоритм которой обеспечивает поддержание управляемой величины на постоянном уровне. Примерами могут служить регуляторы скорости, напряжения, температуры, самолетные автопилоты, системы автоматического управления частотой автогенераторов, автоматической регулировки усиления и др.

Программной называется автоматическая система, алгоритм которой изменяет управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией. Примерами являются различные тренажеры, станки с числовым программным управлением, системы слепой посадки самолетов, автономного управления полетом ракеты на начальном участке траектории и др.

Следящей называется автоматическая система, алгоритм которой изменяет выходной сигнал в зависимости от значения неизвестного заранее переменного сигнала на входе. На этом принципе построены системы автосопровождения целей по дальности, скорости и направлению, силовые следящие системы управления положением антенн и пусковых установок ракет, радиотехнические системы телеуправления и самонаведения ракет и т.д.

По источнику управляющего сигнала различают замкнутые и разомкнутые САУ.

САУ, в которой управляющий сигнал U(t) вырабатывается только на основе внешних сигналов, называется системой с разомкнутой цепью управления.

Если же сигнал U(t) формируется с учетом как внешних, так и внутренних сигналов, то система называется замкнутой . В подобных системах управляющий сигнал чаще всего вырабатывается в результате сравнения выходной величины Y(t) с задающим сигналом X(t):

U(t) = e(t) = F[X(t) — Y(t)].

Такой способ управления называется управлением по отклонению (по ошибке, рассогласованию). Сами же системы называются системами автоматического регулирования (САР).

Рис. 1. Функциональная схема САР

В замкнутых САУ в зависимости от типа обратной связи различают системы с положительной обратной связью , усиливающие входное воздействие и системы с отрицательной обратной связью , компенсирующие входное воздействие.

В зависимости от наличия или отсутствия ошибки в установившемся (статическом) режиме работы САУ подразделяются на статические и астатические.

В САУ, обеспечивающих управление не только по значению исследуемого параметра, но и по его производным, в зависимости от порядка отрабатываемых производных различают САУ различного порядка астатизма:

САУ с астатизмом первого порядка обеспечивает управление по параметру и его первой производной;

САУ с астатизмом второго порядка обеспечивает управление по параметру и его первой и второй производным;

6.1.3. Следящие системы

Следящей системой (СС) называется система автоматического управления, алгоритм которой изменяет выходной сигнал в зависимости от значения неизвестного заранее переменного сигнала на входе. На этом принципе построены системы автосопровождения целей (ракет) по дальности, скорости и направлению, силовые следящие системы управления положением антенн, радиотехнические системы телеуправления и самонаведения ракет и т.д.

При следящем измерении координат в радиолокационных измерителях используется дискретная замкнутая САУ с астатизмом второго порядка и отрицательной обратной связью .

В дискретной СС с периодом обращение к объекту Т уравнение движения цели по произвольной координате x имеет вид:

xn = xn-1 + x’n∙T + 1/2∙x»n∙T2, (1)

где: xn – истинное значение координаты в текущем такте n;

x’n = (xn – xn-1)/Т– скорость ее изменения;

x»n = (x’n – x’n-1)/Т – ускорение .

Экстраполированное (ожидаемое) значение координаты определяется как:

xn э = n-1 + ‘n-1∙T, (2)

где: n-1 — измеренное значение координаты, хранится в памяти СС;

‘n-1 — измеренная скорость ее изменения, хранится в памяти СС.

Ожидаемое значение координаты определено с ошибкой Δxn:

Δxn = xn — xn э = (x’n — ‘n-1) T + 1/2∙x»n∙T2≈ 1/2∙x»n∙T2 . (3)

Приближенное равенство в (3) обусловлено тем, что выражение

(x’n — ‘n-1) стремится к нулю при малых значениях T и x».

Измеряя в текущем периоде обращения к объекту значение Δxn, именуемое сигналом ошибки (СО), СС рассчитывает текущее измеренное значение координаты n:

n = xn э + Δx. (4)

Таким образом, рекуррентный алгоритм (4) измерения координат целей СС позволяет последовательно уточнять значения оцениваемого параметра по результатам измерений сигнала ошибки в каждом периоде обращения к цели.

Структура СС, реализующий такой алгоритм, не зависит от измеряемой координаты (рис. 1).

Рис. 1. Структура следящей системы

В каждой СС присутствует измеритель сигнала ошибки, вычисляющий значение выражения (3), он называется дискриминатором и реализуется, как правило, в аналоговой форме .

Вычисление экстраполированных значений координаты в соответствии с выражением (2), текущих измеренных значений координаты в соответствии с выражением (4) и хранение измеренных значений координаты и скорости ее изменения осуществляется в формирователе сглаженных оценок , он реализуется, как правило, алгоритмически (программно) в специализированных вычислителях или в ЭВМ.

Последним элементом в составе СС является исполнительное устройство , где формируется опорный сигнал для дискриминатора со значением измеряемого параметра, определяемым кодом экстраполированной координаты.

Сигнал с выхода СС подается на ее вход для вычисления и последующей минимизации сигнала ошибки, следовательно, в рассматриваемой замкнутой САУ использована отрицательная обратная связь .

Простейшая цифровая СС.

Система уравнений, описывающая алгоритм работы СС, имеет вид:

где: К1 и К2 – коэффициенты определяющие как устойчивость работы СС, так и ее постоянную времени, а также случайные и динамические ошибки;

x0 и x’0 – начальные значения координаты и ее производной, задаваемые в режиме поиска цели.

Структурная схема цифровой следящей системы, реализующая приведенный алгоритм имеет вид, представленный на рисунке 2.

Рис. 2. Структурная схема цифровой следящей системы

На схеме дискриминатор показан как устройство вычитания. Начальные значения параметра ₀ и ‘ ₀ вводятся в систему перед началом автоматического сопровождения и соответствуют моменту времени t ₀ . В дискриминаторе реализуется вычисление СО. Сформированное значение сигнала ошибки домножается на коэффициенты К1 и К2 поступает на

фильтр оценки текущего параметра сигнала. При необходимости с выхода первого сумматора может быть снято значение оценки скорости изменения параметра х.

Полученная схема следящего измерителя представляет собой простейшую дискретную одноканальную систему автоматического управления второго порядка астатизма с отрицательной обратной связью .

В многоканальных СС для хранения полученных значений используются не линии задержки, а ячейки ОЗУ. Поскольку обращение к различным целям происходит в разные моменты времени, следящие системы по каждой из координат выполнены по схемам подобным одноканальным СС, а многоканальность достигается наличием нескольких ячеек ОЗУ (по количеству сопровождаемых целей).

6.1.4. Дискриминаторы следящих систем

Важнейшим элементом следящей системы (СС) является измеритель сигналов ошибок – дискриминатор . Для описания дискриминатора и анализа его свойств используют дискриминаторную характеристику (ДХ) (рис. 1).

Рис. 1. Дискриминаторная характеристика

ДХ описывается двумя основными параметрами:

ширина рабочего участка (размах) — Dxp;

крутизна рабочего участка S = tga.

Размах ДХ определяет максимально допустимые ошибки наведения СС.

Крутизна ДХ определяет потенциальную точность измерения координаты.

Для стабилизации точности измерения необходимо обеспечить выполнение условия S = const при любых условиях измерений.

Техническая реализация дискриминаторов, как правило, основывается на принципе суммарно-разностной обработки сигналов.

Технически для формирования ДХ, как правило, используется фазовый детектор (ФД), использующий два входных сигнала:

где U max амплитуда сигнала, ψ фаза сигнала.

Выходной сигнал ФД:

зависит от произведения амплитуд входных сигналов и косинуса разности их фаз.

6.1.5. Системы автоматического регулирования, применяемые в приемных и передающих устройствах РЛС

В радиопередающих устройствах (РПУ) РЛС системы автоматического регулирования (САР), как правило, предназначены для стабилизации частоты зондирующего сигнала.

САР приемника (РПрУ) позволяют обеспечить требуемую точность определения координат целей в пространстве.

Кроме того, системы автоматического регулирования РПрУ позволяют в автоматическом режиме (без участия человека) поддерживать требуемые значения коэффициентов усиления и фазовых сдвигов в каналах.

Точность измерения сигналов ошибок по всем измеряемым РЛС координатам напрямую зависит от настройки приемника. Количественно эту зависимость позволяет оценить дискриминаторная характеристика — UCOjD.

Для малых угловых рассогласований (jD) дискриминаторная характеристика угловой следящей системы (ССφ) выражается соотношением:

где: К _ФД – коэффициент передачи фазового детектора (ФД) по напряжению;

Kφ,К _Σ — коэффициент передачи по напряжению разностного и суммарного каналов;

Uo – амплитуда сигнала опорного канала;

γφ-γΣ — фазовые сдвиги в разностном и суммарном каналах;

μ — коэффициент, характеризующий суммарную диаграмму направленности антенны;

φΔ — угол между направлением на цель и равносигнальным.

Точность измерения угловых координат существенно зависит от соотношения Kj и КS, стабильности амплитуды Uo, и разности электрических длин приемных каналов (gj-gS), которые в процессе функционирования могут меняться по случайному закону.

Для повышения точности измерения необходимо обеспечить :

равенство во времени коэффициентов передачи Kj и КS,

равный фазовый сдвиг в каналах.

Аналогичные задачи возникают при обеспечении точности измерения Д. Дискриминационная характеристика СС Д имеет вид

UCOД» КФД ×(KД/КS)×Uo×Cos(gД-gS)D×Д.

Для стабилизации указанных параметров в состав РПрУ введены системы автоматического регулирования:

АРУ – автоматической регулировки усиления (Uo);

АВУ – автоматического выравнивания усиления (Kj = KД = КS);

АРФ – автоматического регулирования фазы опорного сигнала (gД=gj=gS).

АРУ, АВУ и АРФ построены по однотипным схемам, рассмотрим принцип из работы на примере АРУ.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) обеспечивает стабильность уровня сигнала на выходе усилителя при изменении уровня входного сигнала. В современных приёмниках уровень входного сигнала может изменяться в широких пределах: от 60 дБ в приёмниках радиосвязи и до 120 дБ в радиолокационных. Нормальная работа аппаратуры требует, чтобы изменения выходного сигнала приёмника не превышали 4-6 дБ. Для выполнения этих требований глубина регулировки усилителя системой АРУ должна составлять 56-116 дБ.

В зависимости от решаемых АРУ задач рассматривают:

— быстрые АРУ (БАРУ) для защиты приемника от мощных помеховых сигналов;

— шумовые АРУ (ШАРУ) — для регулирования уровня усиления приемника по шумовому сигналу;

— АРУ измерительных радиолокационных приемников для обеспечения точности измерений координат.

Систему АРУ измерительного приемника рассмотрим на примере РПрУ РЛС с КППРИ. АРУ представляет собой цифровую САР с астатизмом 1-го порядка.

Задача системы АРУ – стабилизировать выходной сигнал главного усилителя приемника точно на значении Uo.

Дискриминатором в АРУ служат: фазовый детектор (ФД), работающий в режиме амплитудного детектора, преобразователь напряжения в цифровой код (ПНК) и логарифмический преобразователь. ФД позволяет измерить напряжение на выходе главного усилителя, подать измеренное значение на ПНК а полученный код на логарифмический преобразователь (на рис.1 – синий цвет).

Рис. 1. Упрощенная структурная схема АРУ

Характеристика логарифмического преобразователя (ЛП) подобрана таким образом (рис. 3), что номинальному значению Uo соответствует входной код ЛП – 21, которому соответствует выходной код «0».

Рис. 2. Характеристика ЛП АРУ

Если же значение Uo не соответствует номиналу, выходной код ЛП отличается от нуля и поступает на сглаживающее устройство – сумматор и набор ячеек ОЗУ (на рис. 1 – красный цвет).

В ОЗУ хранятся управляющие коды АРУ для объекта управления – главного усилителя (на рис. 1 – зеленый цвет). Количество ячеек определяется максимальным возможным числом целей, которые одновременно может обрабатывать приемник.

В случае получения ненулевого кода ошибки с выхода ЛП, этот код в сумматоре складывается с управляющим кодом АРУ из ячейки ОЗУ и полученная сумма записывается в ОЗУ. Новое значение управляющего кода поступает на объект управления – главный усилитель (ГУС). Особенностью ГУС является возможность оперативно менять коэффициент усиления под действием управляющего цифрового кода за что его назвали электронным цифровым аттенюатором (ЭЦА ГУС). Изменение коэффициента усиления приводит значение Uo к номиналу.

Источник