Принцип автоматического управления (регулирования) определяет алгоритм формирования управляющего воздействия в автоматической системе. Выбор того или иного принципа построения системы зависит от ее назначения, условий работы, возможностей получения необходимой рабочей информации, стабильности характеристик отдельных элементов и т.п. Одним из основных признаков, характеризующих принцип управления, является требуемая для выработки управляющего воздействия информация.
Информацию обычно подразделяют на начальную (априорную) и рабочую (текущую). Априорная информация может быть получена в результате
предварительного теоретического или экспериментального исследования системы управления. Текущая информация получается в результате наблюдения за ходом процесса управления.
Известны три фундаментальных принципа автоматического управления: принцип разомкнутого управления, принцип управления по возмущению и принцип обратной связи. Кроме того, разработан принцип комбинированного управления, сочетающий достоинства второго и третьего принципов. Таким образом, несмотря на многообразие автоматических систем, основополагающие принципы их построения немногочисленны.
Принцип разомкнутого управления состоит в следующем (см. рис.1). Пусть заранее известно, что параметры объекта управления и воздействие внешней среды
f (t) остаются постоянными или изменяются по определенному закону. Тогда по заданной функции x (t) можно однозначно определить соответствующее изменение во времени управляющего воздействия u (t). В этом случае управление является
полностью априорным, т.е. осуществляется управляющим устройством при заведомо абсолютно точном знании всех внешних и внутренних условий работы.
Примером реализации этого принципа служит автоматическое управление токарным станком, изготавливающим детали одного определенного образца. При этом положение резца задают как определенную функцию времени и осуществляют автоматическое перемещение его по этому закону.
Рис.1. Система автоматического управления
Принцип разомкнутого управления отличается простотой технической реализации, но оказывается малоэффективным при недостаточной априорной информации относительно характера внешних воздействий.
Принцип управления по возмущению заключается в том, что управляющее воздействие вырабатывается в зависимости от результатов измерения возмущения, действующего на объект. Системы, построенные на основе этого принципа, также работают по разомкнутой цепи, т.е. не имеют обратной связи.
Структурная схема автоматической системы, использующей принцип управления по возмущению, изображена на рис.2. На устройство управления
воздействует возмущение f (t). Недостаточный объем априорной информации относительно f (t) восполняется текущей информацией о его изменении, поступающей в устройство управления. При этом управляющее воздействие u (t) формируется в
функции возмущающего воздействия f (t):
u(t) = U [f (t)].
Величина и направление управляющего воздействия на объект должны быть такими, чтобы полностью или в значительной степени компенсировать влияние возмущающего воздействия.
Рис.2. Система, реализующая принцип управления по возмущению
Основное достоинство принципа управления по возмущению - высокое быстродействие, поскольку в этом случае система реагирует непосредственно на причину, вызывающую изменение управляемой величины. Однако этот принцип
предполагает наличие полной априорной или текущей информации о внутренних и внешних условиях работы системы, что обычно не выполнимо. Как правило, учитывается действие одного или нескольких наиболее существенных возмущений, которые измеряются соответствующими датчиками.
Подобный принцип управления может быть реализован в системе стабилизации напряжения в синхронном генераторе при переменной электрической нагрузке на его
выходе. При изменении нагрузки (возмущающего воздействия) чувствительное устройство вырабатывает сигнал в виде напряжения постоянного тока. Это напряжение пропорционально току генератора, который в свою очередь зависит от нагрузки.
Выработанный сигнал поступает в цепь возбуждения генератора и изменяет величину тока (управляющее воздействие) в ней таким образом, чтобы возвратить напряжение генератора (выходную величину) к исходному значению.
Неполное знание свойств объекта управления, изменение его параметров вследствие старения элементов и действия неконтролируемых возмущений, а также ряд других факторов затрудняют реализацию систем управления на базе этого принципа.
В разомкнутых системах управляющее воздействие на объект управления
задается без учета действительного положения управляемой величины x (t), а только на основании цели управления, характеристик объекта и известных априори либо измеряемых в процессе управления внешних воздействий. Поэтому такое управление является жестким.
Систему управления можно построить таким образом, чтобы точность
выполнения алгоритма функционирования обеспечивалась и без измерения возмущений.
Принцип обратной связи (управления по отклонению) заключается в сравнении действительного значения управляемой величины с требуемым (предписанным) ее значением и в управлении объектом в зависимости от результатов этого сравнения.
Применение этого принципа приводит к построению автоматических систем с замкнутой цепью воздействий, или систем с отрицательной обратной связью (рис.3).
Рис.3. Система, реализующая принцип обратной связи
В замкнутой системе управляющие воздействия формируются на основе информации о состоянии объекта, в частности, по отклонению управляемой x (t) величины от заданной g (t) величины. Таким образом, отклонение (рассогласование)
ε(t) = g (t) − x (t) используется для формирования воздействия на объект, которое продолжается до тех пор, пока это рассогласование не станет достаточно малым.
Следовательно, обратная связь, по которой поступает в устройство управления текущая информация о состоянии объекта управления или его выходных переменных, - это средство управления при неполной информации, обеспечивающее системе свойство адаптивности (приспособляемости) к изменениям внутренних и внешних условий ее работы.
Принцип обратной связи используется в электронных стабилизаторах напряжений, системах регулирования скорости вращения двигателей, системах автоматической подстройки частоты генератора, системах автоматического измерения угловых координат и т.д.
Достоинства принципа управления по отклонению:
∙высокая точность управления и более низкая требовательность к точности изготовления элементов системы (по сравнению с принципом управления по возмущению);
∙успешное достижение цели управления при действии многочисленных возмущающих факторов (в том числе и неконтролируемых).
Однако быстродействие замкнутых систем сравнительно низкое, поскольку они реагируют не на причину, а на следствие (т.е. на отклонение управляемой величины от заданного значения), а следовательно, имеют некоторое запаздывание и определенное допустимое отклонение управляемой величины. Автоматические системы, построенные на основе принципа замкнутого управления, получили название систем автоматического регулирования (САР).
Современные автоматические системы высокой точности обычно строятся на основе принципа комбинированного управления, сочетающего достоинства принципа управления по отклонению и принципа управления по возмущению. При этом в комбинированной системе (рис.4) наряду с замкнутым контуром, образуемым отрицательной обратной связью, имеется цепь компенсации возмущающего воздействия, поддающегося измерению.
Рис.4. Система, действующая на основе принципа комбинированного управления