Системы управления (СУ)
Изучение и математический анализ системы управления существенно облегчаются, если её предварительно условно расчленить на типовые элементы, выявить физические взаимосвязи между элементами и отобразить их в какой-либо условной форме на схеме.
Процесс формализации физических явлений, происходящих в системе управления весьма трудоёмок, ответственен и требует хорошего знания конструкции и принципа действия системы и её элементов.
СУ может быть разделена на части по различным признакам: по назначению частей, алгоритмам преобразования информации и конструктивной обособленности. Соответственно различают функциональные, алгоритмические и конструктивные структуры.
Функциональная структура отображает функции, выполняемые отдельными частями системы. Такими функциями могут быть: получение информации о состоянии объекта, преобразование сигнала, сравнение сигналов и т. п. Части функциональной структуры называют частями и блоками. Названия элементов и блоков указывают на выполняемые функции, например, задающий элемент, управляющий блок, исполнительный блок.
Алгоритмическая структура характеризует алгоритмы преобразования информации в системе, и состоит из элементарных алгоритмических звеньев и связей между ними.
Элементарное алгоритмическое звено – часть алгоритмической структуры СУ, соответствующая элементарному алгоритму преобразования сигнала. Каждое элементарное звено выполняет одну простейшую математическую или логическую операцию. На схемах элементарные звенья изображают прямоугольниками, внутри которых записывают соответствующие операторы преобразования сигналов. Иногда вместо операторов в формульном виде приводят графически зависимости выходной величины от входной или графики переходных функций.
Различают следующие виды элементарных звеньев: статические, динамические, арифметические и логические.
У статического звена мгновенное значение выходного сигнала зависит только от значения входного сигнала в данный момент и не зависит от характера изменения входного сигнала во времени. Связь между входным и выходным сигналами статического звена описывается обычно алгебраической функцией. К статическим звеньям относятся различные безынерционные (нелинейные и линейные) преобразователи. Статическим звеном является, например, двухпозиционное реле (рис. 1.3, а). На рисунке показаны также условное изображение реле на схемах и графики изменения входного и выходного сигналов.
Динамическое звено преобразует входной сигнал в соответствии с операциями интегрирования и дифференцирования во времени. Значение выходного сигнала динамического звена зависит не только от текущего значения входного сигнала, но и от его предыдущих значений, т. е. от характера изменения входного сигнала. Большинство динамических звеньев описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями. К классу динамических звеньев относятся конструктивные элементы, обладающие способностью накапливать какой-либо вид энергии или вещества, например, дифференцирующая rC -цепь (рис. 1.3, б).
Арифметическое звено осуществляет одну из арифметических операций: суммирование, вычитание, умножение, деление. Наиболее часто встречающееся в автоматике арифметическое звено – звено, выполняющее алгебраическое суммирование сигналов, называют сумматором (рис. 1.3, в). На рисунке приведены также два примера суммирования сигналов – электрического (гальванического) и магнитного.
Логическое звено выполняет какую-либо логическую операцию: логическое умножение («И»), сложение («ИЛИ») и т. д. Входной и выходной сигналы логического звена являются обычно дискретными и рассматриваются как логические переменные.
Рис. 1.3. Элементарные алгебраические звенья: а – статическое;
б – динамическое; в – арифметическое
Графическое изображение любой структуры СУ, содержащее условное изображение её частей, называют структурной схемой. В соответствии с классификацией структур различают три типа структурных схем: функциональные, алгоритмические и конструктивные.
К конструктивным схемам относятся кинематические схемы различных устройств, принципиальные и монтажные схемы электрических соединений и т. п.
Функциональные алгоритмические схемы состоят из условных изображений элементов и звеньев (обычно в виде прямоугольников) и различных связей, изображаемых в виде линий со стрелками. Стрелки показывают направление передачи воздействия. Каждая линия соответствует обычно одному сигналу или одному воздействию. Иногда применяют жирные или сдвоенные линии: на функциональных схемах – для обозначения материальных и энергетических потоков, на алгоритмических схемах – для обозначения векторных величин. Около каждой линии указывают физическую величину, характеризующую данное воздействие. Обычно вначале составляют функциональную схему системы, затем – алгоритмическую.
Структурные схемы могут быть составлены с большей или меньшей степенью детализации. Схемы, на которых показаны лишь главные или укрупнённые части СУ, называются обобщёнными (см. рис. 1.1).
На рис. 1.4, а в качестве примера изображена функциональная структура СУ, в состав которой входят наиболее распространённые функциональные элементы: задающий элемент (ЗЭ), сравнивающий элемент (СЭ), датчики управляемой величины x (Д x) управляющего воздействия у (Д у), регулирующее устройство (РУ), усилитель мощности (УМ), исполнительный механизм (ИМ), исполнительный (регулирующий) орган (ИО).
В качестве исполнительных механизмов используют электрические, гидравлические и пневматические двигатели, электромагниты. Регулирующими органами обычно служат заслонки, вентили, различные дозирующие устройства (питатели). Они передают управляющее воздействие непосредственно на объект, изменяя количество поступающих в объект вещества или энергии (сырья, воды, воздуха, топлива, реагентов и т. д.).
Рис. 1.4. Функциональная (а) и алгоритмическая (б)
структуры системы управления
На функциональных схемах конкретных СУ указывают не общее назначение блоков, а их конкретное наименование, например: двигатель (Д), тиристорный преобразователь (ТП), тахогенератор (ТГ), шибер (Ш), весоизмеритель (В) и т. д.
На рис. 1.4, б приведена алгоритмическая схема системы, функциональная структура которой была рассмотрена выше. Легко заметить, что в данном примере каждому элементу функциональной структуры соответствует определённое алгоритмическое звено. В общем случае такое совпадение необязательно.