Классификация может быть осуществлена по различным принципам и признакам, характеризующим назначение и конструкцию системы, вид применяемой энергии, используемые алгоритмы управления и функционирования и т. д. Классификация систем по различным основаниям показана на рис. 1.5.
Рассмотрим вначале классификацию систем по наиболее важным для теории управления признакам, которые характеризуют алгоритмы функционирования и управления системы. Этими признаками являются: цель управления и связанный с ней характер изменения задающего воздействия (и соответственно управляемой величины), конфигурация цепи воздействий и принцип выработки управляющих воздействий.
В з а в и с и м о с т и от х а р а к т е р а и з м е н е н и я з а д а ю щ е- г о в о з д е й с т в и я в о в р е м е н и СУ делят на три класса: стабилизирующие, программные и следящие системы.
Стабилизирующая СУ (система стабилизации) – это система, алгоритм функционирования которой содержит предписание поддерживать значение управляемой величины постоянным:
x (t)» x з=const. (1.3)
Знак » означает, что управляемая величина поддерживается на заданном уровне с некоторой ошибкой.
Стабилизирующие системы применяют для стабилизации физических величин, характеризующих состояние технологических объектов. Примером стабилизирующей системы является система управления режимом работы горнодобычной машины (см. рис. 1.2).
Алгоритм функционирования программной СУ содержит предписание изменять управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией времени f п(t)
x (t)» x з(t)= f п(t). (1.4)
Следящая система управления предназначена для изменения управляемой величины в соответствии с изменениями другой величины, которая действует на входе системы и закон изменения которой заранее неизвестен:
x (t)» x з(t)= f с(t), (1.5)
где f с(t) – произвольная функция времени.
Следящие системы, называемые также системами позиционирования, используются обычно для дистанционного управления перемещением механических объектов в пространстве.
В стабилизирующих, программных и следящих системах цель управления заключается в обеспечении равенства или близости управляемой величины x (t) к её заданному значению x з(t). Такое управление, осуществляемое с целью поддержания равенства
x (t)» x з(t), (1.6)
называется регулированием.
Управляющее устройство, осуществляющее регулирование, называют регулятором, а саму систему – системой регулирования.
В з а в и с и м о с т и от к о н ф и г у р а ц и и ц е п и в о з д е й с т в и й различают три вида СУ: с разомкнутой цепью воздействий, с замкнутой цепью и комбинированные.
В СУ с разомкнутой цепью воздействий входными воздействиями УУ являются только внешние (задающие и возмущающие) воздействия.
Разомкнутые системы можно разделить на системы, осуществляющие управление в соответствии с изменением только задающего воздействия (рис. 1.6, а) и системы, управляющие при изменении возмущения (рис. 1.6, б).
Алгоритм управления разомкнутой системой первого типа имеет вид:
y (t)= A y[ x з(t)]. (1.7)
 |
Системы первого типа работают эффективно лишь при условии, если влияние возмущений на управляемую величину невелико. Примерами таких систем являются системы управления пуском электродвигателей, включением в работу конвейерных линий и т. д.
Рис. 1.6. Функциональные структуры систем управления с разомкнутой (а, б),
замкнутой (в) и комбинированной (г) цепью воздействий
В системах управления по возмущению (см. рис. 1.6, б) управляющее воздействие зависит от возмущающего и задающего воздействий:
y (t)= A y[ x з(t), z (t)]. (1.8)
В большинстве случаев разомкнутые СУ по возмущению выполняют функции стабилизации управляемой величины. Необходимым условием функционирования таких систем является наличие датчиков возмущений. Преимущество разомкнутых СУ по возмущению – их быстродействие: они компенсируют влияние возмущения ещё до того, как оно проявится на выходе ОУ.
На рис. 1.6, в представлена обобщённая функциональная структура СУ с замкнутой цепью воздействий (кратко – замкнутая система, или система с обратной связью). В такой системе на вход УУ поступают как внутреннее (контрольное) воздействие, так и внешнее (задающее).
Управляющее воздействие в замкнутой СУ формируется в большинстве случаев в зависимости от величины и знака отклонения истинного значения управляемой величины от её заданного значения по алгоритму
y (t)= A y[e(t)], (1.9)
где e(t)= x з(t)± x (t) – сигнал ошибки (сигнал рассогласования).
Замкнутые системы называют часто системами управления по отклонению. Преимуществом замкнутых систем является то, что в них контролируется непосредственно управляемая величина, и тем самым при выработке управляющих воздействий учитывается действие всех возмущений. Но из-за наличия замкнутой цепи воздействий в этих системах могут возникать колебания, которые в некоторых случаях делают систему неработоспособной.
В комбинированных системах (рис. 1.6, г) создают две цепи воздействий – по отклонению и по возмущению, и управляющее воздействие формируется согласно оператору
y (t)= A y[e(t)]+ А в[ z (t)]. (1.10)
Эффективность работы комбинированной СУ всегда больше, чем у порознь функционирующих замкнутой или разомкнутой систем.
В з а в и с и м о с т и о т п р и н ц и п а в ы р а б о т к и у п р а в л я -ю щ и х в о з д е й с т в и й замкнутые системы делятся на беспоисковые и поисковые.
В беспоисковых системах управляющие воздействия вырабатываются в результате сравнения истинного значения управляемой величины с её заданным значением.
В поисковой системе основные управляющие воздействия формируются с помощью пробных управляющих воздействий и путём анализа этих воздействий. Такую процедуру поиска управляющих воздействий приходится применять в тех случаях, когда характеристики объекта меняются или известны не полностью.
Особый класс СУ образуют системы, которые способны автоматически приспосабливаться к изменению внешних условий и свойств объекта, обеспечивая при этом необходимое качество управления путём изменения структуры и параметров УУ. Такие системы называют адаптивными (самоприспособляющимися).
Рассмотрим кратко классификацию СУ по некоторым дополнительным (неалгоритмическим) признакам.
В з а в и с и м о с т и о т п р и н а д л е ж н о с т и и с т о ч н и к а
э н е р г и и, при помощи которого создаётся управляющее воздействие, системы могут быть прямого и непрямого действия. В системах прямого действия используется энергия управляемого объекта. В системах непрямого действия управляющее воздействие создаётся за счёт энергии дополнительного источника.
П о в и д у с и г н а л о в, действующих в системах, СУ делят на непрерывные и дискретные. Дискретные системы, в свою очередь, делят на импульсные, релейные и цифровые.
СУ, у которых управляемая величина в у с т а н о в и в ш е м с я
р е ж и м е зависит от величины возмущающего воздействия, называются статическими, а системы, у которых не зависит, - астатическими.
П о в и д у д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы х у р а в н е н и й, описывающих элементы систем, последние делят на линейные и нелинейные. В линейной системе все элементы описываются линейными алгебраическими и дифференциальными уравнениями, в нелинейной – всегда есть элемент, имеющий нелинейную зависимость выходной величины от входной.
Примеры СУ
Проиллюстрируем изложенные в разделах 1.1–1.3 общие понятия и принципы управления на конкретных примерах. Ниже описаны системы управления некоторыми техническими объектами. Описание систем дано применительно к упрощённым принципиальным схемам.
На рис. 1.7 приведена принципиальная схема автоматической системы стабилизации расхода сыпучего материала, поступающего на переработку в технологическую установку. Объектом управления в данной системе является шнековый питатель П. Питатель приводится в движение двигателем постоянного тока Д, который питается от силового магнитного усилителя СМУ.
 |
Рис. 1.7. Автоматическая система стабилизации подачи сыпучего материала
Количество материала Q, проходящего через питатель в единицу времени, измеряется при помощи весоизмерителя В, который состоит из короткого ленточного конвейера и магнитоупругого датчика МД. Количество материала, находящегося на конвейере, пропорционально массовому расходу материала Q. Следовательно, сила тяжести f будет также пропорциональна расходу Q. Электрическое напряжение u в на выходе магнитоупругого датчика, в свою очередь, пропорциональна силе f. Напряжение u в, являющееся сигналом текущего расхода Q, сравнивается с задающим напряжением u з. Сигнал разности этих двух напряжений усиливается в усилителе ЭУ и поступает на обмотку управления магнитного усилителя.
При изменении удельного веса и сыпучести материала массовый расход Q будет отклоняться от заданного значения Q з. При этом будет возникать сигнал рассогласования u р и, в зависимости от знака сигнала рассогласования, будет увеличиваться или уменьшаться частота вращения шнека. Положительное или отрицательное приращение скорости компенсирует возникшее ранее отклонение расхода Q от значения Q з.
На рис. 1.8, а приведена упрощённая принципиальная схема а в т о м а -
т и ч е с к о й с и с т е м ы у п р а в л е н и я ш а х т н о й п о д ъ ё м -
н о й
 |
у с т а н о в к о й. Назначение системы – изменение скорости v подъёмных сосудов в зависимости от их положения h в шахтном стволе.
Рис. 1.8. Автоматическая система управления шахтной подъёмной установкой
Другими словами, задача системы – управление подъёмной установкой по определённой программе (рис. 1.8, б), заданной в параметрической форме.
Подъёмная машина приводится в движение двигателем постоянного тока Д, который питается от генератора Г. Энергия, необходимая для подъёма сосудов, подводится к генератору от сетевого двигателя СД. Скорость подъёмного двигателя Д пропорциональна напряжению на его якорных зажимах, которое, в свою очередь, пропорционально напряжению на обмотке возбуждения генератора ОВГ. Напряжение возбуждения u в создаётся тиристорным преобразователем ТП, который играет в данной системе роль возбудителя. Напряжение u в пропорционально напряжению u р, которое равно разности между напряжением u з и u тг. Напряжение u тг на зажимах тахогенератора ТГ, выполняющего в системе роль датчика частоты вращения, пропорционально в каждый момент времени линейной скорости v. Напряжение u з является задающим воздействием. Оно снимается с потенциометра П, движок которого перемещается специальным профилированным кулачком К. Этот кулачок выполняет функцию задающего элемента. Профиль кулачка соответствует требуемой программе изменения скорости (см. рис. 1.8, б).
При перемещении подъёмных сосудов по стволу кулачок К, связанный с подъёмной машиной и с главным редуктором Р 1 через вспомогательный редуктор Р 2, поворачивается и изменяет заданное значение скорости.
Согласно изложенным в 1.3 принципам классификации, система управления подъёмной установкой является замкнутой программной системой регулирования непрямого действия.
Для дистанционного управления перемещением различных объектов в пространстве применяются следящие автоматические системы. На рис. 1.9 показана принципиальная с х е м а с л е д я щ е й с и с т е м ы у п р а в- л е н и я
 |
п о л о ж е н и е м ш и б е р а. Перемещение шибера осуществляется при помощи исполнительного двигателя ИД, который связан с шибером
Рис. 1.9. Следящая система управления положением шибера
через редукторы Р 1 и Р 2 и винтовую передачу ВП. Элементом сравнения заданного и действительного положений шибера является электрический мост М, движки которого механически связаны с рукояткой оператора и с шибером.
Для перемещения шибера оператор, находящийся на удалении от шибера, небольшим усилием ставит движок Д 1 в новое положение. При этом мост разбалансируется, возникнет напряжение u р, пропорциональное разности перемещений x з- x. Это напряжение усилится в усилителе У, и на якорных зажимах двигателя ИД возникает напряжение u д= u у. Двигатель начнёт перемещать шибер со скоростью, пропорциональной рассогласованию x з- x. Это перемещение будет происходить до тех пор, пока шибер не займёт новое положение x, соответствующее положению рукоятки оператора x з.
Контрольные задания и вопросы
1. Проиллюстрируйте основные понятия теории управления на примере системы стабилизации расхода сыпучего материала (см. рис. 1.7).
2. Какие признаки элементов системы управления отражаются на её функциональной схеме?
3. Назовите наиболее распространённые, типичные функциональные элементы систем управления.
4. Составьте функциональную схему системы управления шахтной подъёмной установкой (см. рис. 1.8).
5. Что отражает алгоритмическая схема системы управления?
6. Приведите примеры элементарных алгоритмических звеньев.
7. На какие три класса делятся системы управления в зависимости от характера изменения задающего воздействия и управляемой величины?
8. Назовите три класса систем, отличающихся конфигурацией цепи воздействий.
9. Какие достоинства и недостатки имеют разомкнутые системы управления?
10. Какие достоинства и недостатки имеют замкнутые системы управления?
11. В чём различие между статическими и астатическими системами управления?