1.2. Основные принципы управления

В зависимости от способов формирования управляющего воздействия различают следующие принципы управления: по возмущению; по отклонению управляемой величины от требуемого значения; принцип комбинированного управления.

Принцип управления по возмущению (разомкнутые САУ)

Для уменьшения или устранения отклонения управляемой величины от требуемого значения, вызываемого влиянием того или иного фактора, необходимо, чтобы управляющее воздействие было определенной функцией этого фактора и характеристик объекта.

Если под фактором, вызывающим отклонение управляемой величины от требуемого значения, понимается какое-либо возмущающее воздействие, то ему соответствует принцип управления по возмущению, «ели же этим фактором является изменение требуемого значения управляемой величины, то принцип управления по задающему воздействию. При управлении по возмущению ставится задача компенсации влияния возмущающего воздействия на управляемую величину, а при управлении по задающему воздействию задача состоит в достижении наиболее точного воспроизведения управляемой величиной этого задающего воздействия или его функции.

Принцип управления по возмущению. Функциональная схема системы автоматического управления с принципом управления по возмущению (принцип Понселе — Чиколева) изображена на рис. 1.5. Возмущающее воздействие через канал возмущения КВ управляемого объекта УО влияет на управляемую величину вызывая ее отклонение от требуемого значения.

Принцип управления по возмущению состоит в том, что для уменьшения или устранения отклонения управляемой величины от требуемого значения, вызываемого возмущающим воздействием измеряется это воздействие и в результате его преобразования вырабатывается управляющее воздействие которое, будучи приложено ко входу объекта УО, вызывает компенсирующее отклонение управляемой величины противоположного знака по сравнению с отклонением Для полной компенсации влияния возмущающего воздействия отклонение ей в каждый момент времени должно быть равно по значению и лротивоположно по знаку отклонению вызываемому возмущающим воздействием (рис. 1.4,б).

Измерение возмущающего воздействия осуществл яется с помощью измерительного элемента ИЭ (рис. 1.5), а его преобразование — с помощью преобразователя П. Измерительный элемент и преобразователь образуют связь по возмущению.

Выходное воздействие связи по возмущению (компенсирующее воздействие) в сумматоре 21 складывается с задающим воздействием определяющим требуемое значение управляемой величины. Задающее воздействие вырабатывается в задающем устройстве ЗУ. Суммарное воздействие с помощью усилителя — преобразователя усиливается по мощности до величины, необходимой для получения требуемого режима работы объекта. В общем случае наряду с усилением производится дополнительное его преобразование. Сформированное таким образом управляющее воздействие с выхода УП поступает на вход объекта и через его канал управления КУ компенсирует блияние возмущающего воздействия, вызывая противоположную реакцию объекта по сравнению с реакцией, вызываемой возмущающим воздействием через канал возмущения объекта.

Рис. 1.5. Функциональная схема САУ с принципом управления по возмущению.

Некоторые системы включают в явном виде исполнительные элементы и управляющие органы. В рассматриваемой функциональной схеме эти элементы не выделены и входят в усилитель-преобразователь.

Связь по возмущению и усилитель-преобразователь образуют автоматическое управляющее устройство (АУУ) (регулятор). АУУ, измеряя и преобразуя возмущающее воздействие в соответствии с заложенным алгоритмом управления «вырабатывает» управляющее воздействие Для САУ с принципом управления по возмущению алгоритм управления имеет общий вид т. е. управляющее воздействие является функцией возмущающего воздействия.

На рис. 1.5 показано, что в САУ с принципом управления по возмущению имеются два канала влияния возмущающего воздействия на управляемую величину канал возмущения КВ объекта, являющийся естественным каналом влияния возмущающего воздействия, и канал, образованный связью по возмущению, усилителем-преобразователем и каналом управления КУ объекта — искусственно созданный компенсационный канал. Таким образом, САУ с принципом управления по возмущению являются двухканальныжи системами и в них для компенсации влияния возмущающего воздействия через один (естественный) канал используется влияние того же самого возмущающего воздействия через второй, искусственно созданный компенсационный канал.

Примеры систем с принципом управления по возмущению и их анализ в статическом режиме. Примером САУ с принципом управления по возмущению может служить система управления частотой вращения электродвигателя постоянного тока (рис. 1.6, а). В этой системе электродвигатель М является управляемым объектом, а частота вращения его ротора — управляемой величиной. Требуемую частоту вращения электродвигателя задают с помощью потенциометра — задающего устройства. Напряжение снимаемое с движка этого потенциометра, является задающим воздействием системы.

В отличие от обычной системы электропривода постоянного тока (рис. 1.2, а) здесь введена связь по основному возмущающему воздействию — нагрузке двигателя. Эта связь реализована с помощью моментной муфты и обмотки управления Моментная муфта выполняет функцию измерительного элемента возмущающего воздействия — выходное напряжение муфты пропорционально моменту нагрузки Мн, т. е. Обмотка управления ЭМУ является простейшим преобразователем: ампервитки, создаваемые этой обмоткой, пропорциональны

Рис. 1.6. Принципиальные схемы системы автоматического управления частотой электродвигателя с принципом управления по возмущению: а — связь по возмущению (нагрузке) реализована моментной муфтой и обмоткой управления ЭМУ; б - связь по нагрузке реализована компенсационной обмоткой ЭМУ.

подводимому напряжению мн. Ампервитки связи по возмущению складываются в ЭМУ с ампервитками, создаваемыми обмоткой управления к которой подводится задающее напряжение Таким образом, ЭМУ выполняет функции сумматора и усилителя (см. функциональную схему системы, рис. 1.5).

Момент нагрузки влияет на частоту вращения двигателя через два канала: через вал двигателя (канал возмущения) и через моментную муфту, ЭМУ, якорную обмотку двигателя (компенсационный канал (рис. 1.6).

Увеличение Мн через канал возмущения обычно вызывает уменьшение . В системе же со связью по возмущению при увеличении увеличивается также и напряжение мн моментной муфты, приложенное к обмотке управления ЭМУ. Возрастают ампервитки обмотки результирующие ампервитки управления ЭМУ, увеличивается напряжение на входе двигателя, а следовательно, и момент вращения двигателя. Благодаря этому двигателем преодолевается возросший момент нагрузки при прежней частоте вращение его ротора. Таким образом, в результате противоположного влияния изменения на через канал возмущения и компенса-. ционный канал в рассматриваемой системе может быть достигнута независимость от

В системе без связи по возмущению (см. рис. 1.2, а) напряжение на входе двигателя определяется лишь задающим напряжением снимаемым с потенциометра При увеличении оно остается постоянным (а не возрастает, как в системе со связью по возмущению рис. 1.6, а), поэтому частота вращения двигателя в этой системе с увеличением Мн уменьшается.

В тех случаях, когда не представляется возможности применить моментную муфту, измеряют не а ток якоря двигателя, который приближенно пропорционален моменту нагрузки Связь по возмущению — нагрузке в этом случае реализуется с помощью компенсационной обмотки включенной последовательно в цепь якоря двигателя М (рис. 1.6, б). Напряжение, выделяющееся на обмотке в установившемся режиме: При увеличении ток якоря двигателя увеличивается, возрастают ампервитки компенсационной обмотки увеличивая общие ампервитки управления и повышая напряжение на выходе ЭМУ. Это 1 вызывает повышение момента вращения двигателя, компенсируя возросший момент нагрузки и обеспечивая независимость частоты вращения двигателя от

Чтобы убедиться в возможности полной компенсации влияния на и в установившемся режиме в системах рис. 1.6, найдем аналитическую зависимость этих систем.

Рис. 1.7. Статические характеристики системы с принципом управления по возмущению (рис. 1.6) при различной степени компенсации возмущения (нагрузки):

Запишем уравнения элементов систем в установившемся режиме: суммирующего устройства на входе

двигателя где — коэффициент усиления — коэффициенты усиления двигателя по отношению к управляющему и возмущающему воздействиям соответственно. Считаем, что напряжение мн компенсационной обмотки (рис. 1.6, б) приведено к обмотке управления и коэффициент приведения вошел в коэффициент Исключая из этих уравнений промежуточные переменные получаем выражение для статической характеристики систем

где — частота вращения двигателя в режиме холостого хода; — коэффициент усиления системы по отношению к возмущающему воздействию.

Из формулы (1.1) видпо, что если то частота вращения двигателя изменяется с изменением Отклонение частоты от требуемого значения при данном пропорционально у, т. е.

Очевидно, что с уменьшением уменьшается влияние на . В системе без связи по нагрузке (без и коэффициент у принимает максимальное значение поэтому наблюдается наибольшее влияние на Примерный вид статической характеристики систем для этого случая изображен кривой 4 на рис. 1.7. Вводя связь по нагрузке и изменяя коэффициент 10 этой связи (например, за счет перемещения движков потенциометров на рис. 1.6, а, б соответственно), можно изменять V. а следовательно, и наклон статической характеристики систем. В частности, можно добиться, чтобы когда влияние нагрузки в статическом режиме полностью компенсируется и частота вращения двигателя не зависит от Мн (отклонение частоты от требуемого значения равно нулю). Значение соответствующее этому случаю, находится из условия компенсации

Статическая характеристика системы при представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс (прямая 2, рис. 1.7).

В системе с принципом управления по возмущению можно добиться не гтолько полной компенсации, но и перекомпенсации влияния возмущающего воздействия, т. е. получения отрицательных отклонений. Действительно, увеличивая напряжение, снимаемое с потенциометра (рис. 1.6, а) и увеличивая сопротивление шунтирующее обмотку можно получить когда Статическая характеристика при этом будет иметь уже не отрицательный, а положительный наклон (кривая 1, рис. 1.7): с увеличением частота вращения двигателя возрастает.

В рассматриваемых системах алгоритм управлении имеет вид:

т. е. управляющее воздействие является простейшей функцией возмущающего воздействия и характеристик управляемого объекта и усилителя.

Характеристика, достоинства и недостатки САУ с принципом управления по возмущению. В системах с принципом управления по возмущению для формирования управляющего воздействия

используется непосредственная информация о возмущающем воздействии (т. е. информация о причине, вызывающей отклонение). Поэтому в этих системах возможна полная компенсация влияния возмущающего воздействия на управляемую величину, т. е. возможно достижение инвариантности (независимости) управляемой величины относительно данного возмущающего воздействия.

Рассмотренным способом можно компенсировать влияние каждого из возмущающих воздействий в отдельности. Однако а практике обычно не удается компенсировать влияние всех возмущающих воздействий, так как значительная часть воздействий не поддается измерению и при компенсации всех возмущающих воздействий получается сложная система. На практике компенсируются лишь основные возмущающие воздействия, наиболее резко влияющие на управляемую величину. В системах управления, задача которых состоит в поддержании постоянства управляемой величины (т. е. в системах стабилизации), основным возмущающим воздействием обычно является изменение нагрузки (в рассмотренных выше системах — изменение момента нагрузки ).

Система с принципом управления по возмущению является разомкнутой САУ. В ней процесс управления не зависит от результатов (управляемая величина не измеряется и не производится никаких действий, если она не соответствует требуемому значению) и наблюдается только прямое воздействие.

Из приведенной характеристики САУ с принципом управления по возмущению видно, что они обладают следующими достоинствами:

1) позволяют полностью компенсировать возмущающие воздействия, т. е. в этих системах возможно достижение инвариантности управляемой величины относительно возмущающих воздействий;

2) в них, как в разомкнутых системах, не возникает проблемы устойчивости.

САУ с принципом управления по возмущению присущи следующие недостатки:

1) они устраняют влияние лишь основных возмущающих воздействий, по которым созданы компенсационные каналы; появляется отклонение управляемой величины от требуемого значения с изменением второстепенных возмущающих воздействий, по которым нет компенсационных каналов;

2) в этих системах, как в разомкнутых, появляются отклонения управляемой величины с изменением характеристик объекта и элементов системы (см., например, выражение (1.3): при изменении или и поэтому ;

3) применение принципа управления по возмущению ограничено объектами, характеристики которых известны (можно определить).

Принцип управления по задающему воздействию применяется в тех случаях, когда изменяется требуемое значение управляемой величины и основным фактором, вызывающим значительное отклонение управляемой величины от требуемого значения, является изменение задающего воздействия на входе инерционного объекта (исходной системы).

Рис. 1.8. Функциональная схема САУ с принципом управления по задающему воздействию

Функциональная схема САУ с принципом управления по задающему воздействию изображена на рис. 1.8. Задающее устройство ЗУ вырабатывает задающее воздействие в соответствии с которым должна изменяться управляемая величина (в частном случае управляемая величина должна воспроизводить задающее воздействие). Принцип управления по задающему воздействию состоит в том, что для устранения или уменьшения отклонения управляемой величины от требуемого значения, появляющегося в связи с инерционностью объекта (исходной системы) при изменении задающего воздействия, автоматическое управляющее устройство (АУУ) формирует управляющее воздействие из этого задающего воздействия с учетом статических и динамических характеристик объекта (системы). Под влиянием последнего управляемая величина стремится .изменяться в соответствии с изменением требуемого значения (задающего воздействия). Формирование управляющего воздействия в АУУ выполняется в соответствии с заложенным алгоритмом управления, имеющим общий вид т. е. управляющее воздействие является функцией задающего воздействия.

Например, чтобы уменьшить время переходного процесса, возникающего в инерционном объекте при изменении задающего воздействия, необходимо уменьшить влияние инерционности объекта. Этого можно добиться соответствующим функциональным преобразованием задающего воздействия — введением производной от этого воздействия.

САУ с принципом управления по задающему воздействию являются разомкнутыми системами. Преимущества и недостатки, свойственные САУ с принципом управления по возмущению, как разомкнутым системам, относятся и к САУ с принципом управления по задающему воздействию.