СИТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Основные понятия, определения и термины теории управления
Одним из базовых понятий теории управления является «система». Система – это множество связанных друг с другом элементов, образующее определённую целостность. Целостность определяется тем, что связи элементов системы между собой проявляются сильнее, чем их связи с другими элементами и с окружающей средой. Все системы можно разделить на абстрактные и материальные.
Абстрактные системы являются продуктом человеческого мышления. К ним относятся, например, различные научные теории, гипотезы, методы.
Материальные системы, представляющие собой целостные совокупности материальных объектов, делятся на неживые и живые системы.
В инженерной теории управления наибольший интерес представляют неживые материальные объекты в виде различных технических систем. Техническая система (ТС) – совокупность машин и аппаратов, осуществляющих преобразование, транспортирование и накопление энергии, вещества или информации. Примерами ТС являются генератор электрической энергии, химический реактор, компьютер.
Всякая ТС взаимодействует с внешней средой, которая всегда оказывает на ТС мешающее влияние, т. е. воздействие, нарушающее нормальное функционирование ТС. Факторы влияния внешней среды на ТС называются возмущающими воздействиями или возмущениями. Для названных выше примеров ТС возмущениями могут быть соответственно мощность (кВт), расходуемая потребителями электроэнергии, содержание (%) полезного компонента в исходном сырье, поступающем в реактор, и температура (оС), при которой эксплуатируется компьютер.
Из-за постоянного воздействия на ТС различных возмущений приходится предпринимать специальные воздействия, направленные на компенсацию нежелательного влияния среды. Процесс осуществления целенаправленных воздействий на ТС, обеспечивающих её нормальное функционирование, называют управлением. А саму ТС, нуждающуюся в специально организованных воздействиях, называют объектом управления (ОУ). Целенаправленные воздействия на ОУ являются управляющими. Их обычно обозначают символом y, а возмущение – z.
Для рассматриваемых трёх примеров ТС управляющими воздействиями соответственно могут служить, например, частота вращения (об/с) ротора электрогенератора, расход катализатора (кг/с), подаваемого в реактор, и команды ввода данных («enter», «input» и т. п.).
Выходной сигнал x (t) ОУ, который с помощью управляющего воздействия y (t) поддерживается на заданном уровне или изменяется по какому-либо закону, называется управляемой величиной.
Устройство, осуществляющее целенаправленные управляющие воздействия на ОУ, называют управляющим устройством (УУ). Совокупность ОУ и УУ, взаимодействующих между собой, называют системой управления (СУ).
В обобщённом виде структура СУ показана на рис. 1.1.
|
Рис.1.1. Обобщённая структура системы управления (СУ)
Если выход (состояние) ОУ характеризуется несколькими величинами x 1(t), x 2(t), … x n(t), то такой объект называют многомерным.
Кроме основного возмущения, действующего на ОУ, на функционирование системы может влиять дополнительное возмущение z д(t), приложенное к УУ.
Зависимость управляемой величины x (t) от входных воздействий для одномерного объекта можно выразить при помощи математического оператора А о, характеризующего объект, как преобразователь сигналов:
x (t)= A o[ y (t), z (t)]. (1.1)
Символом А о в выражении (1.1) обозначена некоторая совокупность математических операций, которые необходимо выполнить, чтобы по функциям времени y (t) и z (t) найти функцию x (t).
Зависимость (1.1) вместе с требованиями, предъявляемыми к управляемой величине (и в некоторых случаях – к управляющему воздействию), составляют алгоритм функционирования объекта.
Управляющее воздействие вырабатывается в УУ в соответствии с алгоритмом (законом) управления и в зависимости от истинного и предписанного значений управляемой величины. Информация об истинном значении управляемой величины поступает в УУ в виде контрольного воздействия x к(t) или сигнала обратной связи, а информация о предписанном значении – в виде задающего воздействия x з(t). Иногда управляющее воздействие вырабатывается с учётом изменений возмущающих воздействий z о(t) и z д(t) (см. рис. 1.1).
Алгоритм управления (алгоритм функционирования УУ) в самом общем случае выражает зависимость управляющего воздействия от задающего воздействия, управляемой величины и возмущающих воздействий. Для одномерной СУ он запишется так:
y (t)= A y[ x з(t), x (t), z о(t), z д(t)]. (1.2)
Алгоритм функционирования ОУ (1.1) и алгоритм управления УУ (1.2) в совокупности образуют алгоритм функционирования СУ.
Перечислим наиболее общие, лежащие в основе всей терминологии ТАУ, понятия: алгоритм, алгоритм функционирования, управление, алгоритм управления, система управления, объект управления, управляющее устройство, задающее и возмущающее воздействия, контрольное воздействие (сигнал обратной связи), управляемая величина, управляющее воздействие, сигнал рассогласования.
 |
Проиллюстрируем введённые понятия на примере конкретной системы управления. На рис. 1.2 изображена структура СУ режимом работы горнодобычной машины (например, роторного экскаватора). Назначение СУ – поддержание постоянной нагрузки основного привода рабочего органа (роторного колеса) путём изменения скорости перемещения органа. Управляемой
Рис. 1.2. Система управления горнодобычной машиной
величиной x в системе является электрическая мощность Р н, потребляемая преобразователем П и передаваемая через основной двигатель Д о рабочему органу. Сигнал и х, пропорциональный мощности Р н, вырабатывается датчиком нагрузки ДН и передаётся в элемент сравнения ЭС, где он сравнивается с заданием и зº Р н.з. В зависимости от знака и величины сигнала рассогласования и р, регулятор нагрузки РН формирует сигнал на увеличение или уменьшение частоты вращения привода подачи. Этот сигнал через управляемый преобразователь УП, двигатель Д п и механизм подачи преобразуется в управляющее воздействие – линейную скорость подачи nп= у (полагаем, что мощность привода подачи достаточно большая и поэтому сопротивление перемещению рабочего органа может не учитываться). Основным возмущающим воздействием z о является момент сопротивления или нагрузки М н на основной привод, зависящий от крепости разрушаемого горного массива.
В качестве объекта управления в данной системе можно рассматривать весь основной привод (рабочий орган, двигатель Д о, преобразователь П). К управляющему устройству относятся привод подачи и регулятор нагрузки РН.