Лекции - Основы автоматизации (часть 1) - файл n1.docx

Лекции - Основы автоматизации (часть 1)
скачать (193.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx194kb.14.09.2012 14:54скачать

n1.docx



Лекции

Основные понятия теории и практики автоматизации

Под механизацией будем понимать процесс замены ручного труда на труд автомата, машины.

Процесс освобождения человека, частично или полностью, от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использовании информации, энергии, материалов называется автоматизацией.

Данные – совокупность всех сведений, поступающих в систему управления.

Строгого определения понятия информации в настоящее время не существует, но при управлении пользуются следующим понятием информации.

Информация - совокупность тех сведений, которая позволяет уменьшить неопределенность при выборе решения. Информативность данных нужно понимать следующим образом: чем больше уменьшена неопределённость при выборе решения, тем более информативными нужно считать данные, поступающие перед выбором решения.

Процесс – ход, развитие какого – либо явления , последовательная смена состояния чего-нибудь. Процесс – совокупность последовательных действий для достижения какого-либо результата. По обоим определениям процесс всегда связан со временем и поэтому является динамическим.

Управление – процесс целенаправленного воздействия на объект. И это воздействие направлено на достижение поставленной цели , чтобы процесс протекал в заданном направлении. При описании системы управления и её частей часто используется язык блок – схем, который более наглядно может пояснить структуру и режим работы системы.

Система – совокупность взаимосвязанных элементов, функционирование которых подчинено одним и тем же целям. Система управления в укрупненном виде состоит из двух взаимосвязанных частей: объект управления (управляемый объект, управляемая система), управляющая часть системы (управляющая система, управляющий объект). Любой элемент системы обозначается виде прямоугольника

Объектом управления называется часть системы, которая испытывает целенаправленные воздействия для реализации заданной цели или, другими словами, объект управления - это то, на что направлено такое воздействие. Объект управления может иметь различную физическую природу, но в тоже время обладает определенными, присущими ему, независимыми от природы, свойствами. Свойствами, которые определяют его отношение к процессу управления, которые могут объединить объекты различной физической природы в один и тот же класс объектов управления.

Исходя из сказанного, в качестве объектов управления могут выступать технологические процессы и производства.

Согласно Ожегову С.И.(толковый словарь русского языка/Российский фонд культуры, третье издание; Москва 1996г.) технология определена как совокупность производственных методов и процессов в определенной отрасли производства, а также научное описание способов производства.

В Советском энциклопедическом словаре (советский энциклопедический словарь/редакт. Прохоров А.Н.; издание 4; Москва 1987г.) технология определена как совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материалов или полуфабрикатов, осуществляющаяся в процессе производства продукции.

Таким образом, согласно этим толкованиям, технология может принадлежать как к науке, так и к производству. При этом задача технологии как науки состоит в выявлении физических, химических, механических и др. закономерностей с целью определить и использовать на практике наиболее эффективные и экономичные процессы. Задача технологии как части производства заключается в конкретизации и реализации таких способов обработки или переработки вещества или энергии, которые обеспечивают выполнение заданных режимов технологических процессов. При этом следует понимать, что эти заданные технологические режимы были разработаны с помощью научных методов технологии. На практике эти заданные режимы представляют в виде технологической инструкции, графиков, чертежей. В дальнейшем под технологическим процессом будем понимать процессы переработки вещества или энергии с целью получения продукта или полупродукта с требуемыми свойствами.

Будем разделять технологию на материальную и информационную. Материальные технологии – технологии преобразования энергии и вещества (материального сырья) в конечный продукт, имеющий материальную или энергетическую природу. Информационные технологии – технологические преобразования исходного информационного «сырья» в конечный информационный продукт, что связано с получением, преобразованием, хранением, передачей и выдачей информации. Информационное «сырье» - первичные данные о состоянии любых элементов входящих в системы управления, в том числе и технологических процессов и внешней окружающей среды, с которой эта система взаимодействует.

Введем еще одно понятие связанное с технологическим процессом: технологический объект управления – это промышленный агрегат, испытывающий целенаправленное воздействие, в котором осуществляется технологический процесс преобразования материальных и энергетических потоков для получения продукта или полупродукта. Именно в таком объекте реализуется технологический процесс.

Действующий технологический объект управления не может существовать без нанесения целенаправленного воздействия, т.е. должен существовать какой-то другой объект, в котором вырабатывается управление, такое воздействия на объект будем называть управляющим воздействием. Необходимость их выработки связано с тем, что для получения требуемого продукта или полупродукта с заданными свойствами необходимо реализовать определенный, заранее выработанный технологический режим.

Под технологическим режимом будем понимать такую динамику изменения состояния технологического объекта управления, которая требуется в соответствии с технологией преобразования энергии и вещества.

Системы управления

Управляющие воздействия, таким образом, должны быть связаны с фактическим и заданным состоянием технологического объекта управления. Фактическое состояние объекта управления в любой момент времени будет отличаться от заданного за счет действия многих факторов на объект со стороны окружающей среды. Поэтому требуется непрерывно оценивать состояние объекта, сравнивать с заданным состоянием и в случае существенного отклонения между ними наносить управляющее воздействие на объект, направленное на устранение этих отклонений. Это одна из основных целей управления и она связана с компенсацией вредных, нежелательных влияний со стороны окружающей среды. Вторая основная цель связана с реализацией заданной траектории движения. При этом под движением будем понимать не только механическое перемещение во времени и пространстве, но и изменение во времени всех физических величин, характеризующих состояние объекта управления.

Эти целенаправленные воздействия на объект называются управляющими воздействиями на объект, они вырабатываются в специальных блоках – подсистемах, которые называются управляющими системами, управляющие объектами. Объект управления и управляющий объектом взаимосвязаны между собой и представляют систему управления, таким образом:

  1. Объект управления (управляемый объект) и управляющий объект являются частью системы управления.

  2. Процесс управления реализуется именно в системе управления.

Обычно системы управления и ее части представляются в виде различного рода схем: структурных или блок-схем. При этом части схем, отдельные ее элементы отображаются в виде прямоугольников, где внутри ставится условное обозначение этого элемента (ОУ - объект управления), а связи этого элемента с другими элементами системы или с окружающей средой обозначаются с помощью стрелок(рис. 1).

ОУ

О


Рис .1. Структура объекта управления
W

U Y

Стрелки, направленные к прямоугольнику отражают входные воздействия (U,W) на этот элемент, а стрелки, направленные от прямоугольника, называются выходными воздействиями.

Вектор – упорядоченная совокупность любых элементов или воздействий, обладающих хотя бы одним общим свойством.

, где V – вектор входных воздействий;

, где Y – вектор выходных воздействий;

, где V – вектор входных воздействий, объединяет два различных вида входных воздействий U и W.

Это два принципиально различных воздействия:

U – управляющие воздействия, они вырабатываются в системе управления.



W – внешние воздействия, т.е. воздействие со стороны окружающей среды.

6)

7)

М – число входных воздействий, его часто называют размерностью этого множества, которая и определяет объем этого множества.

8)

Основным отличием вектора W является то, что, как правило, эти воздействия могут препятствовать достижению цели, поставленной перед системой управления. Поскольку управляющие воздействия вырабатываются внутри системы управления, то их значение и соответственно изменение их во времени известно. Эти значения хранятся внутри управляющей системы, в то время как внешние воздействия могут быть как известными, так и не известными. WK – отражает ту часть множества внешних воздействий ,которая известна управляющей системе, контролируется, а WH – неконтролируемая часть внешних воздействий. Известно лишь то, что они имеют место в действительности, оказывают влияние на состояние управляемого объекта. Соотношение WK и WH могут быть различны. Если уровень влияния неконтролируемых воздействий достаточно высок, то говорят, что объект управления функционирует в условиях неопределенности, т. е. определить его состояние точно невозможно, а лишь с какой-то степенью вероятности, с большим приближением.

Каждое из указанных выше воздействий можно записывать в виде:

9) ;

;

11) W=

12) U=

, Y0, V0, – опорные уровни соответствующих воздействий Y, V, U и W

u, y, v, w – отклонения соответствующих воздействий от их опорных уровней.

Отклонение внешних воздействий w от опорного уровня называется внешним возмущающим воздействием или внешним возмущением, а u – регулирующее воздействие.

Поясним это графически:

Рис.2.Графическое представление выходного воздействия

Y(t) Y(t)



y (t)

t

13) y(t)=Y(t)-



15)

где t – непрерывное время, i – дискретное время.

Для того, чтобы понять для чего разлагают входное воздействие (например Y) на базовую составляющую () и отклонение y, рассмотрим пример с летательным аппаратом.

При первом знакомстве с системой управления мы выделили две ее части: объект управления и управляющий объект, полагая при этом, что это самое укрупненное представление системы. Представим систему управления несколько более подробно.

А В

y Заданная траектория()

Фактическая(У)
Прежде чем аппарат запустить, рассчитывают траекторию его перехода из точки А в точку В. При этом в расчётах учитывают определённое значение характеристик окружающей среды. Задачей системы управления полётом является реализация этой траектории, например с минимальной затратой топлива.

Однако после запуска, значение характеристик окружающей среды будут отличаться от расчётных , отклонение этих величин от расчётных, представляет собой так называемые внешние возмущающие воздействия. Эффектом наличия таких возмущений является отклонение y(t) от расчётной(заданной) траектории ( ).

Чтобы устранить эти отклонения необходимо применять дополнительные целенаправленные (регулирующие) воздействия, которые связанны с обеспечением требуемой близости фактической (расчётной) траектории движения.

Регулирующее воздействие – частый случай управляющих воздействий, которые вырабатываются в системе управления дл отработки заданных траекторий выходной переменной.

Рис. 3. Блок – схема, системы управления.

ОУ

УО

ИБ

ИС










Z={U;






Индекс D – означает действительные значения соответствующих входных и выходных воздействий, а вектор Z – объединяет векторы управляющих U, внешних контролируемых выходных воздействий Y, измеренных с помощью измерительной системы ИС, ИБ – исполнительный блок, реализует команды УО, поступающие с его выхода.

ОУ – объект управления (управляемый объект), т.е. та часть системы, на которую требуется выработать и нанести управляющее воздействие, направленное на достижение поставленной цели.

Две части системы, обозначенные в схеме: ИС – измерительная система, ИБ – исполнительный блок системы, называются приобъектными подсистемами (часть системы, взаимосвязанную с другими частями системы называют подсистемами).

В системе управления реализуется 2 вида технологических процессов:

  1. Процессы преобразования энергии и вещества протекающие внутри объекта управления.

  2. Процессы получения, передачи, хранения, преобразования и выдачи данных, т.е. информационные процессы.

Интеграция этих двух процессов осуществляется при помощи приобъектных систем. Их называют подсистемами, которые непосредственно контактируют с объектом управления. Это измерительная система и исполнительные блоки.

Измерительная система с помощью датчиков информации преобразует физические величины в сигналы измерительной информации, которые фиксируют данные в системе управления.

Исполнительный блок – это такая часть системы, которая принимая командные сигналы от управляемого объекта непосредственно воздействующего на ОУ или на материальные, энергетические потоки объекта.

Состояние объекта управления, где протекают процессы преобразования энергии и вещества, характеризуется множеством физических величин, которые требуется в первую очередь измерить, преобразовать их в сигнал измерительной информации.

Сигнал – это носитель информации, носитель данных. СИИ является носителем данных, характеризующих значения физических величин , с помощь которых оценивают конкретное состояние объекта управления. С помощью этой подсистемы происходит стыковка, сочленение объекта управления с управляющим объектом, который приспособлен для работы с СИИ. В свою очередь в управляющем объекте осуществляются преобразования, хранение выдача и т.д., т.е. на выходе управляющего объекта формируются управляющие командные воздействия в виде сигнала. Эти командные сигналы требуется преобразовать непосредственно в изменение входных потоков энергии и вещества, поступающих в объект управления. Изменения этих потоков должны привести к требуемому состоянию объекта. Задача преобразования командных сигналов от управляющего объекта в непосредственное изменение входных энергетических и материальных потоков реализуется с помощью исполнительных блоков. Именно эти блоки, представленные, например, в виде механически сочленых между собой приводов электродвигателя и регулирующих органов, позволяют непосредственно изменять входные воздействия объекта управления.

Измерительные системы ИС и исполнительные блоки системы ИБ называются преобъектными системами, потому что они непосредственно сочленены с ОУ, тесно связаны с ним и во многих книгах и учебниках эти подсистемы непосредственно включены в состав объекта управления. Однако их целесообразно выделять при описании системы управления , подчеркивая их роль для интеграции процессов преобразования энергии и вещества и информационных процессов.

Задающие воздействия отражают цель системы управления в количественной форме. Например, это может быть программа перемещения движущегося тела, представленная виде пространственной траектории. Это может быть заданная температура в печи, которую требуется поддерживать постоянной. В первом случае говорят, что система имеет переменное задание, такую систему называют следящей, во втором случае задание постоянно и такую систему называют системой стабилизации.

Примером следящей системы может быть такая система у которой Y(t)изменяется по какой-то траектории (смотреть рис. I).

Рис. I.- Графическая схема изменения траектории

Y Y(t) Y*(t)

T

Здесь Y(t)- траектория близкая к Y*(t). Фактическая траектория выходного воздействия Y должна повторять, совпадать с траекторией Y*(t), это идеальный случай, он не реализуемый в действительности. Y(t) всегда отличается от Y*(t).



Ошибка управления связана с одной из показателей (критериям), с помощью которого оценивают эффективность, качество работы системы управления. Это показатель точности работы системы, примером показателя точности работы системы управления, является среднеквадратичный критерий.



или



Показатели вида (II) и (III) называются критерии точности, с их помощью оценивается эффективность работы системы. Где n- интервал дискретного времени.





Это один из методов системного анализа.

Процесс расчленения сложной системы

Процесс расчленения сложной системы на ее части называется декомпозицией.

Процесс декомпозиции системы является достаточно сложным и в настоящее время строго не формализован, т.е. отсутствуют формальные алгоритмы декомпозиции сложных систем. Существует специальная дисциплина, называемая системным анализом, где рассматриваются теоретические и прикладные задачи, связанные с декомпозицией системы. В учебном плане нашей специальности эта дисциплина называется «Методы системного анализа» и там будут рассмотрены эти задачи.

Отметим лишь, что при декомпозиции выделяют вертикальную и горизонтальную декомпозицию.

Вертикальная декомпозиция – это такое разбиение системы, при котором выход одной подсистемы является входом другой и на схемах такие подсистемы располагаются одна под другой.

Рис.4. Пример вертикальной декомпозиции системы

ПС1

ПС2

ПСN

Внешняя среда 1 уровень

командные сигналы информационные сигналы

2 уровень

N уровень
С вертикальной декомпозицией связано понятие иерархической системы. Иерархической системой называют такую систему, для которой выполняются следующие условия:

  1. Система является сложной и допускает процесс ее декомпозиции, т.е. разбиения ее на части.

  2. Эта декомпозиция должна быть вертикальной.

  3. Выход подсистемы более высокого уровня является командным входом подсистемы более низкого уровня.

В иерархической системе выделяются уровни иерархии. Обычно 1 уровень иерархии это наиболее высокий уровень, которому подчинены все другие подсистемы более низкого уровня.

Существует также понятие горизонтальной декомпозиции, при которой система, стоящая на одном из уровней иерархии, расчленяется на несколько подсистем, каждая из которых принадлежит этому же уровню иерархии.

Рис.5. Пример вертикальной и горизонтальной декомпозиции системы

ПС21

ПС2M

ПС1

ПСN

ПС22


Подсистемы одного уровня иерархии являются равнозначными в смысле подчиненности по отношению друг к другу. Поэтому стрелки на схеме (рис.5.) отражают на втором уровне информации связи между ПС21, ПС22…ПС2М.

Технологические объекты управления.

Технологические процессы, которые протекают в технологических объектах управления могут быть трех типов:

  1. Непрерывные (непрерывного действия)

  2. Циклические (дискретные)

  3. Комбинированные (непрерывно-дескретные)

Под непрерывным объектом условимся понимать такой технологический или производственный объект, процессы преобразования энергии и вещества в котором осуществляется непрерывно во времени в течении всей кампании функционирования такого объекта.

Кампания – период функционирования объекта от ремонта до ремонта.

При этом будем допускать, что для таких объектов материальные, энергетические, а также информационные потоки могут иметь не только непрерывный, но и дискретный характер изменения во времени.

Дискретным объектом будем считать такой объект, в котором протекающие технологические процессы имеют конечную длительность, существенно меньшую, чем длительность кампании. И эти процессы циклически повторяются с явным фиксированием начала и конца цикла. Такие объекты характеризуются тем, что загружаемые в них материалы подаются порциями (партиями), обрабатываются и выдаются тоже партиями готового продукта или полупродукта.

Непрерывно-дискретный объект - это объект, состоящий как из непрерывных, так и из дискретных составляющих (объектов).
Свойства объектов управления.

С точки зрения сегодняшней теории ( но эта точка зрения может измениться в связи с развитием синергетической теории управления) управления физическая природа объектов и протекающих в них процессов практически не влияет на проблему управления этими объектами. Главными являются другие свойства, которые не зависят от физической природы объекта. Они то и оказывают существенное влияние на задачи анализа и синтеза систем управления. При этом под анализом систем управления понимают задачи исследования уже созданных систем с точки зрения их эффективности управления, качества функционирования, устойчивости работы и др. А синтез систем управления заключается в выборе структуры системы и оценивания параметров алгоритмов на основе которых функционируют все блоки системы управления, за исключением объекта. Что касается объектов управления, то следует иметь ввиду, что в натурных объектах всегда имеет место однонаправленная причинно- следственная связь, при этом в качестве причины выступает изменение всех входных воздействий, следствием которых является изменение выходных воздействий объекта. Эти причинно-следственные связи, характеризующие свойства объектов управления, отображают с помощью моделей. Модель- упрощенное отображение свойств, особенностей и условий функционирования реальных (натурных) систем, объектов и протекающих в них процессов. Модели могут быть различной природы: физические, натурные, математические, комбинированные. Если говорить о математической модели, то она представляет собой совокупность взаимосвязанных между собой уравнений, логических высказываний, символов отражающих причинно-следственные связи реальных объектов. Одним из основных требований к любой модели является требование точности отражения свойств натурных объектов. Это означает, что различие между натурными данными об изменении входных и выходных воздействий объекта и модельными, полученными с помощью, например математической модели этого же объекта, должно быть небольшим и соответствовать заданным требованиям. В противном случае результаты исследований, полученные на модели нельзя переносить на реальный объект.

Рассмотрим кратко следующие свойства объекта:

1. Инерционность - свойство объектов реагировать на изменение входных воздействий с определенной конечной скоростью. Прежде чем пояснить это свойство, условимся обозначать все входные и выходные воздействия объекта управления следующим образом:

16) V=V0+v;

17) W=W0+w;

18) U=U0+u;

19) Y=Y0+y;

V0,W0,U0,Y0-базовые уровни соответствующих воздействий v,w,u,y- отклонение (приращение, вариации) фактических значений V,W,U,Y от их опорных уровней(Рис.2).

Характер протекающих процессов исследуемого объекта управления в большом диапазоне изменений его входных и выходных воздействий можно отобразить с помощью математической модели, оператор которой обозначим через Ф.

20) Y= Ф{U,W,t};

Выражение (20) в самом общем виде указывает на то, что между входными воздействиями U, W и выходными Y существует динамическая характеристика протекающих процессов исследуемого объекта управления в большом диапазоне изменений, которая во всем диапазоне изменения U,W,Y отображается математическим оператором Ф {*}. Символ t внутри скобок указывает на то, что этот оператор динамический. Вид его может быть различным: дифференциальным, интегральным или интегро-дифференциальным уравнением. В общем

Y= Ф {U,W,t} есть обозначение математической модели объекта в большом диапазоне или модель «внутреннего механизма» процессов, протекающих в объекте управления. Она строится с помощью фундаментальных законов естественных наук и детально отражает все необходимые стадии преобразования энергии и вещества в объекте. Выражение (20) можно записывать в виде

Y0= Ф {U0, W0, t} (21)

Зависимости между входными и выходными воздействиями в малом диапазоне их изменения (в отклонениях, приращениях) мы будем записывать малыми буквами.

y= ? {u, w, t} (22) , где

? – математический оператор связи между отклонениями входных и выходных воздействий, но в малом диапазоне изменения. Выражение (22) можно также рассматривать как модель объекта. Ее называют кибернетической (функциональной) моделью или модель в «малом», имея ввиду в малом диапазоне изменения u, w, y. Поясним свойство инерционности с помощью модельных представлений: функциональных или кибернетических моделей, отражающих зависимости между отклонениями u(t), y(t), w(t), v(t). Пояснение представлено в графической форме (рис.6.)

На верхнем графике этого рисунка представлены суммарные входные воздействия, а на нижнем реакция нескольких объектов.


Рис.6. Графическая интерпретация инерционности объектов

v(t)

?v(t)

y(t) t

3 2

1 ?y(t)=,при



t

Пусть в момент времени t0 входное воздействие v(t) резко изменилось. На графике это отображено в виде скачка ?v(t). Возможные реакции объекта на этот скачок представлены ниже кривыми 1,2,3. Кривая 1 отображает свойство объекта у которого скорость реакции постепенно замедляется и спустя какое-то время (в момент t1), эта скорость становится равной 0, а y(t)=const. Про такие объекты говорят, что они обладают свойством самовыравнивания, т.е. способны приходить в новое установившееся состояния. Кривая перехода из одного установившегося состояния в другое называется кривой переходного процесса. Такая кривая 1, отображена на рисунке , и является моделью линейного дифференциального уравнения первого порядка


Решением этого уравнения будет экспонента:

25) при v(t)=1, где - постоянная времени объекта, – коэффициент передачи объекта.

Постоянная времени объекта управления является численной мерой его инерционности. Чем больше его величина, тем меньше скорости изменения y(t) и тем больше время переходного процесса.



Ниже на рисунке 7 графически показано как влияет инерционность объекта на характер изменения выходного воздействия у(t).

Согласно вышенаписаному неравенству, объект с постоянной времени имеет большую скорость, а – минимальную из этих трёх.

Рис.7. Реакция объектов различной инерционности на скачек

V(t)

y(t) ?





2?





t

Объекты, реакция которых соответствует рисунку 7, являются динамическими объектами. Одной из характеристик такого процесса, является время переходного процесса.

Это такое время, в течение которого проявляется реакция объекта на изменение входных воздействий.

На рисунке 7 показано изменение входного воздействия в виде скачка в момент времени .

По истечении времени переходного процесса , выходная переменная у , приходит в установившееся состояние, т.е. характеризуется постоянным значением y(t).

Время переходного процесса равно

- время, принятое за конец переходного процесса . Оно соответствует тому моменту времени, когда кривая переходного процесса войдёт в достаточно узкий коридор величиной 2

Где - малая величина выбирается исходя из масштаба изменения у.

Можно взять эту величину в процентном соотношении относительно постоянной времени (1 или 2 % от постоянной величины).

Кривая 2(рис.6), характеризует свойства объекта, не обладающего самовыравниванием, т.е. такого объекта, у которого скорость изменения y(t) остается постоянной. Такая кривая теоретически уходит в бесконечность, но для реального объекта она связана с величиной его емкости. При этом под емкостью понимают, то предельное значение накопленного вещества или энергии, которое свойственно этому объекту. В этом случае накопление будет происходить до достижения этого предельного значения. Теоретически, при отсутствии предельного значения объект характеризуется соотношением



29) y(t)=

интегрирование -характеризует скорость накопления.

Таким образом если реакция объекта характеризуется кривой 1 или 2, то они называются динамическими объектами. Соответственно записанные уравнения, которые отражают реакцию объекта на изменение входного воздействия v(t) называются динамическими моделями. Если свойства реального объекта таковы, что его скорость реакции очень велика и переходным процессом можно пренебречь, то такой объект часто называют статическим объектом (рис.6 ). Связь входного и выходного воздействия 30) y(t)=k0v(t) , k0- коэффициент передачи объекта.

Этот коэффициент отражает во сколько раз изменится выходное воздействие объекта в установившемся состоянии по отношению к изменению входного воздействия

-статический объект;

-динамический объект;



Инерционность двояким способом сказывается на задаче управления. С одной стороны она усложняет эту задачу, особенно если инерционность объекта достаточна велика, т.к. возникает необходимость учитывать поведение объекта на достаточно большом интервале будущего времени, равного например времени переходного процесса. С другой стороны инерционный объект обладает сглаживающими свойствами. В том смысле, что не пропускает на своем выходе (не реагирует) высокочастотные изменения входных воздействий. Т.е. нет необходимости вмешиваться в работу объекта со стороны управляющей части для устранения нежелательных последствий таких высокочастотных изменений внешних воздействий.

Рис.8. Примеры объекта управления

Пример a Пример b

безымянный3

Условия примеров: имеются 2 бака с водой одинаковой конструкции, куда поступает вода. 1- приход воды, 2- расход воды, h-уровень воды в баках. В 1 баке вода вытекает самопроизвольно через отверстие в днище бака, а во втором баке вода откачивается насосом постоянной производительности. Исходное состояние баков одинаково и характеризуется условием 1=2 , h1=h2 .В один и тот же момент времени скачком увеличим приход воды. Требуется нарисовать кривые изменения уровней h во времени для обоих баков, которые должны отражать динамику изменения состояния этих объектов.

Рис.9. Динамика изменения входных и выходных воздействий

безымянный4

Для интегральных объектов, имеющих конечную емкость, используются специальные интегральные уравнения с отсечкой, где в течение определенного времени объект функционирует по интегральному закону, т.е. накапливает вещество или энергию. Время, в течение которого происходит достижение предельной емкости, называется временем отсечки, после которого объект не изменяет накопленную емкость.

Про динамические объекты говорят, что они обладают памятью, подразумевая при этом, что объект как бы помнит те изменения входных воздействий, которые были произведены на предыстории его функционирования. Эта память с течением времени затухает и спустя какой-то промежуток времени объект перестает помнить нанесенное ранее изменение входных воздействий. Эта память количественно напрямую связана с инерционностью объекта.

Практически можно считать, что память объекта может быть отождествлена с временем переходного процесса.

2. Запаздывание – это свойство объекта реагировать на изменение входных воздействий не мгновенно, а спустя определенный промежуток времени.


4Рис.10. Графическая интерпретация времени запаздывания

безымянный5

33) 0=t1-t0 - время запаздывания объекта.

Причиной запаздывание объекта является затрата времени на транспортировку вещества или энергии, с помощью которых осуществляется воздействие на объект управления.

Рис.11. Пример транспортного запаздывания нагревательной печи

L


РЗ

4

3

2 5 НП

1

L


  1. Регулирующая заслонка (P3);

  2. Трубопровод (газопровод);

  3. Труба для выходных газов;

  4. НП (нагревательная печь);

  5. Топливосжегающее устройство (ТСУ);

Пусть одним из основных показателей (выходных воздействий) является температура рабочего пространства печи, изменение которой в системе управления осуществляется целенаправленно путем изменения подачи газа по трубопроводу. Если температура меньше необходимой, то увеличивают подачу газа. Изменение подачи газа осуществляется с помощью регулирующей заслонки (1). Топливо в свою очередь сжигают в топливосжегающем устройстве (5). При этом количество тепла от сжигания топлива прямо пропорционально его расходу. Между РЗ и ТСУ имеется расстояние L. Время транспортировки газа при изменении подачи топлива

34) 0=L/ , где – скорость движения газа, и именно это время определяет запаздывание в объекте по данному каналу преобразовании изменений входных воздействий.

Рис.12. Пример канала преобразования в объекте

Y

ОУ

ОУ




V2
а)

Y

в)


Под каналом преобразований изменения входных воздействий объекта будем понимать, ту часть объекта, которая отражает существующую причинно-следственную связь между одним из входных воздействий и одним из выходных воздействий.

На рис.12 приведен пример:

  1. объекта имеющий два входных воздействия и одно выходное(рис.12а), этот объект имеет два канала преобразования, воздействий;

  2. На рис.12б, объект отражает влияние изменений входного воздействия на выходное и , первые два канала преобразования воздействий, а вторые два канала отправляют на и изменения входных воздействий.

«? ?»;

«? ?»

35) Y=где - опорный (базовый) уровень изменения Y.

соответствующие составляющие выходного воздействия Y которые отражают влияние изложений .

Для объекта управления необходимо входные воздействия разделять на внешние и управляющие воздействия.

Предположим, что представленный на рис.12.а) объект, является объектом управления, т.е. представляет собой неотъемлемую часть системы управления. В этом случае входные воздействия и мы должны классифицировать и соответственно отнести каждое из них либо к классу внешних воздействий, либо к классу управляющих воздействий.

Предположим, что есть внешнее воздействие и обозначим его через W, а является управляющим воздействием, т.е. в ,тогда для этого объекта выделим два канала преобразования:

«?W ?»;

«?V ?»;

Первый будем называть каналом преобразования изменения внешних воздействий (?W), а ? - эффектами влияния изменений внешних воздействий. Второй будем называть каналом преобразования изменений управляющих воздействий(?U), а ? – эффектами влияния изменений управляющих воздействий.

Канал преобразования «w » будем называть каналом преобразования внешних возмущений, а канал преобразования «u » каналом преобразования регулирующих воздействий или просто каналом регулирования.

В отличие от инерционности запаздывание всегда усложняет задачу управления, особенно если запаздывание очень велико.

Понятие малого запаздывания- величина относительная . Его необходимо сравнивать с временем, которое характеризует динамику преобразования энергии или вещества в рассматриваемом канале, а точнее, с постоянной времени , если объект описывается дифференциальным уравнением(линейным) 1-ого порядка.

Поэтому когда характеризуют динамические свойства каналов преобразования объекта используют комплексную характеристику, в виде отношения

36) , т.е. отношение времени запаздывания к постоянной времени , если 0<?0,3, то запаздывание считаются относительно малыми, а если , то говорят о большом времени запаздывания канала преобразования.

Особенно неприятно когда большие запаздывания характеризуют управляющие каналы воздействия.

Рассмотрим пример на рис.11. Здесь запаздывание в регулирующем канале зависит от расстояния L и скорости изменения газа . При больших L и малых V отношение может быть больше 1. Предположим, что значение регулируемой переменной в печи меньше заданного. В этом случае будет подан сигнал на увеличение подачи газа, но пока это изменение подачи газа придет непосредственно до объекта, состояние его может сильно измениться и управление будет не эффективным. Получается, что в момент времени Т необходимо вырабатывать такое управляющее воздействие, которое должно быть ориентировано на значение регулируемой переменной в момент времени

37) ŷ(t+), где интервал прогнозирования (будущее время), а ^ над y означает прогнозируемое значение.

При этом ?, следовательно чем больше , тем на больший интервал времени необходимо прогнозировать регулируемую переменную y. Если на управляемый объект действует неконтролируемое возмущение (объект функционирует в условиях неопределенности), то предсказать поведение такого объекта точно не возможно, всегда будет иметь место ошибка. Теория и практика прогнозирования показывает, что чем больше интервал прогнозирования , тем больше ошибка прогнозирования.

Таким образом в конечном итоге увеличение запаздывания в регулирующем канале всегда приводит к снижению точности управления. Запаздывание также отрицательно сказывается на проблеме устойчивости системы.

Для объектов с большими запаздываниями в теории управления разработан специальный класс алгоритмов прогнозирующего управления.

В этих алгоритмах в процессе выработки управляющих воздействий предварительно осуществляется прогнозирование значений или траекторий управляемых выходных воздействий. При этом под прогнозированием понимается оценка будущих значений на конечном интервале времени управляемых переменных, т.е. выходных переменных, полученное с использованием всей доступной на текущий момент времени информации.

Прогнозирование выходных переменных управляемых объектов, т.е. объектов являющихся частью системы управления, принципиально отличающихся от неуправляемых объектов.

При прогнозировании выходных переменных управляемых объектов, необходимо использовать для оценки будущих значений выходных переменных всю доступную на текущий момент времени информацию. К ней следует отнести данные об изменении управляющих воздействий(U(t)) и контролируемых внешних воздействий ( (t)), а так же данные об изменении неконтролируемых воздействий ( (t)). Возникает вопрос: каким образом получить данные об изменении неконтролируемых внешних воздействий, если не известно ни место приложения их к объекту, ни характер изменений? Оказывается что если нельзя на прямую оценить неконтролируемые воздействия , то их можно оценить косвенно с помощью приведённых к выходу объекта возмущений.

Понятие приведенного к выходу объекта возмущения. Рассмотрим следующую структуру объекта управления.

Рис.13. Структура объекта управления при наличии неконтролирующих возмущений

безымянный6

Для такого объекта мы выделим 2-а класса внешних воздействий: 1) контролируемые и 2) неконтролируемые.

Контролируемые - такие воздействия, данные о изменении которых непрерывно или с заданной дискретностью поступают в управляющую часть системы, т.е. они известны и используются при выработке управляющих воздействий. Они обозначены .

Неконтролируемые – такие воздействия, о которых известно лишь то, что они должны быть на входе объекта и соответственно влиять на выходные переменные Y(t), но их значения неизвестны. Неизвестен и их характер изменения во времени, может быть даже неизвестно место их приложения к объекту. Но если они по своему эффекту достаточно значительны, т.е. вызывают большие изменения Y(t), то их необходимо учитывать при выработке управляющих воздействий и при выборе структуры системы управления.

Поэтому на практике очень важно оценить определения подвержен ли объект влиянию внешних воздействий, и если да, то насколько сильно. В принципе можно выделить два способа такой оценки:

1) экспериментальный (с помощью эксперимента).

2) расчетный (с помощью моделирования)

Для 1-го способа : разрабатывается план, при котором внешние контролируемые и управляющие воздействия выводятся на свои постоянные уровни (базовые), и спустя время переходного процесса анализируется характер изменения выходной переменной. Если эта переменная будет мало изменяться относительно установившегося уровня, либо скорость ее изменения (для интегральных объектов) будет плавно изменяться, то делается вывод об отсутствии или малом влиянии внешних неконтролируемых возмущений. В противном случае объект подвержен влиянию неконтролируемых возмущений. Однако, такой эксперимент провести очень трудно, а иногда и просто невозможно. Причина: отсутствие возможности стабилизировать внешнее контролируемое возмущение.

Поэтому практическое применение для оценки приведённых возмущений нашёл расчётный способ, т.е. способ моделирования.

Выдвинем гипотезу, что объект имеет структуру представленную на рис.13. Для того чтобы определить подвержен ли объект влиянию внешних неконтролируемых воздействий, все входные и выходные воздействия представим в следующем виде:

38) U(t)=U0(t)+u(t);

39) Wk(t)=Wk0(t)+wk(t);

40) Y(t)=Y0(t)+y(t);

Представим y(t) как сумму трех составляющих:

41) y(t)=yu(t)+yw(t)+ywn(t), где

42) yu(t)=?u{u(t)}-эффекты влияния регулирующих воздействий u(t), рассчитанные с использованием математической модели ?u{*} каналов преобразования регулирующих воздействий.

43) yw(t)=?w{wk(t)}-эффекты влияния отклонений контролируемых внешних воздействий от их опорного уровня, рассчитанные с использованием модели ?w{*} каналов преобразования внешних контролируемых возмущений.

Опорный уровень выходного воздействия рассчитывается с помощью следующего выражения:

44) , где Ф – математическая модель объекта в большом диапазоне изменений Такую модель часто называют математической моделью внутреннего механизма процессов протекающих внутри объекта управления. «Большой» диапазон изменения, иначе называют рабочий диапазон изменения, и отражает все допустимые в рабочем режиме функционирования объекта изменение соответствующих воздействий.

Если модели Ф{*}, ?w{*}, ?u{*} для объекта известны, то мы можем рассчитать приведенное к выходу объекта возмущение уwн(t) как интегральную характеристику эффектов влияния всех неконтролируемых возмущений, выраженную в масштабе изменения выходной переменной Y(t)

ywн(t)=Y(t)-Y0(t)-yu(t)-yw(t)

Y0(t)= Ф{Wk0(t), U0(t)}

yн(t)= ?u{ u(t)}

yw(t)=?w{wk(t)}

(45)

46) u(t)=U(t)-

47) ;

Выражение (45) составляет в общем виде основу алгоритма расчета при веденных в выходу возмущений ywн(t).

Приведенное возмущение ywн(t) является интегральной характеристикой всех неконтролируемых внешних возмущений, выраженной в масштабе изменения выходной переменной y(t), другими словами приведенное к выходу возмущение позволяет косвенным образом оценивать уровень неконтролируемых возмущений через эффекты их влияния, на выходную переменную ОУ. Эта характеристика является очень важной при выборе структуры системы управления.
Функции системы управления.

Будем разделять все функции, реализуемые в системах управления на два класса функций

1.Рабочие функции (т.е. те функции, которые обеспечивают решения основных целей и задач, стоящих перед системой управления). Реализация именно этих функций и составляет основу информационного процесса протекающих в системах управления. Сюда относятся следующие функции:

- измерение;

- контроль;

- регулирование;

- оптимизация;

- адаптация;

Выделяют еще одну функцию управления связанную со стимулированием человека в человеко-машинных или автоматизированных системах управления, т.к. именно в таких системах основные функции управления реализуются с участием человека.

2. Обеспечивающие функции, т.е. функции направленные на продление жизненного цикла системы. При этом под жизненным циклом системы понимают такой период времени, который характеризуется эффективным её функционированием, эффективным в том смысле, что она удовлетворяет всем требованиям, ограничениям и критериям работы системы. Например: в течение всего этого времени система является окупаемой и приносит прибыль.

В реализации указанных функций может принимать участие человек (оператор) и в этом плане человеко – машинные автоматизированные системы управления (АСУ) – это такие системы, где основные рабочие функции распределены между человеком и машиной. В тоже время под системами автоматического управления (САУ) будем понимать такие системы, в которых все рабочие функции управления реализуются автоматически, без участия человека. Человек в таких системах выполняет обеспечивающие функции.

Основные рабочие функции

1.Измерение – экспериментальный процесс выражения конкретных физических величин с помощью специальных const, называемых единицами изменения. Процесс измерения реализуется в системах измерения, которые в самом укрупненном виде можно представить следующей структурой:

Рис.14. Укрупненная структура системы измерения


(Объект измерения)

Y

Y

S

Su(t)
безымянный7

YD(t)- действительное значение измеряемой величины

48) YD(t)={Y1D(t), Y2D(t),…, }, где М – число физических величин характеризующих состояние объекта измерения.

Представленную на рис.14 укрупнённая система измерения может отображать изменение любой физической величины – это и отображается формулой (48).

Индекс D- означает действительные значения физических величин, которые характеризуют состояние объекта измерения в момент времени t.Под системой измерения будем понимать совокупность объекта измерения и измерительной системы состоящей в общем виде из входных устройств, измерительных преобразователей и выходных устройств. Система измерения предназначена для формирования сигналов измерительной информации, которые должны отображать действительные изменения измеряемых физических величин. Измерительная система контактирует с объектом измерения, воспринимает действительное значение физической величины и преобразует его в измеренное значение Y(t). Причём на схемах результат измерений может быть представлен как Y(t) или Y(i), где t – непрерывное время, а i – дискретное время. Подавляющее большинство входных устройств измерительной системы формирует на своём выходе непрерывный сигнал Y(t), но в большинстве систем управления требуется, чтобы сигнал измеренной информации был представлен в дискретной форме, т.е. в виде Y(i).



Это объясняется следующими фактами:

  1. Процесс измерения физической величины необходимый для оценивания состояния объекта всегда сопровождается погрешностью, т.е.

  2. Множество измеренных физических величин в большинстве случаев меньше, чем множество действительных физических величин влияющих на состояние объекта. Многие физические величины для промышленных объектов не могут быть измерены или из-за отсутствия средств измерения, или из-за недоступности объекта измерения. И в общем случае можно записать

, т.е.

измеренное значение определяется как действительными значениями, так и двумя типами ошибки измерения . Частным случаем этой зависимости является аддетивная композиция (50).

.

50) Y(t)= YD(t)+ ?(t)+ N(t) при этом ?(t)- ошибка флуктуационного типа, которая имеет нерегулярный характер изменения во времени и всегда присуща процессу измерения; N (t)- грубая ошибка или выброс, которая возникает редко, но имеет большие значения разного знака, существенно превышающие ?(t) .

Сигнал- носитель информации, а сигнал измерительной информации- это сигнал, значение которого пропорционально значению измеряемой физической величины. Чаще всего в промышленных системах сигнал имеет электрическую природу. Различают среди стандартных электрических сигналов: токовые и сигналы напряжения. Преобразование действительных значений физических величин YD(t) в сигналах измерительной информации S(t) осуществляются с помощью входных устройств СИ. Входные устройства измерительных систем называют датчиками информации (ДИ). Именно ДИ преобразуют изменения физической величины в изменение электрического сигнала.

Существует много способов преобразования физических величин в сигналы измерительной информации, они основаны на известных законах физики и для каждой физической величины они различны. Мало того, для одной и той же физической величины имеется несколько способ получения СИИ. Например, для измерения температуры существуют 2 класса датчиков температуры: контактные, бесконтактные. Бесконтактные основаны на законах излучения (Планка, Вина, Стефана-Больцмана), Контактные основаны на законах расширения объема тела от температуры, термо- электрического эффекта, и др.

Основанные на различных законах естественных наук датчики информации формируют на своем выходе электрические сигналы. Эти сигналы могут быть выражены в различных сигналах электрического тока: ёмкости, ЭДС, сопротивлении и д.р..Поэтому все они требуют предварительного преобразования, для того чтобы привести их к стандартному виду. Эти преобразования внутри ИС осуществляются с помощью специальных устройств, которые называются измерительными преобразователями(ИП). Это целый класс различных технических устройств, каждое из которых реализует какую-то конкретную функцию преобразования. Пример: усилитель, нормализующие устройства, сглаживающие фильтры, цифро-аналоговые преобразователи и др.

В частности, аналогово-цифровые преобразователи служат для преобразования сигналов измерительной информации аналогового типа в дискретный. Это необходимо для их дальнейшего использования в системе управления, т.к. основные технические элементы в системе управления представлены с помощью цифровой вычислительной техники.

Рис 15. Виды сигналов.

безымянный8

Общепринято непрерывное время обозначается через t, а дискретное время через i.

Как дискретные, так и аналоговые сигналы, включают полезную составляющую ((t)), флуктуационную ошибку и выброс, т.е. структура сигнала измерительной информации, как дискретного так и непрерывного, включает две составляющие: полезные ( - отражает действительные изменения измеряемой величины. - нерегулярная во времени флуктуационная ошибка. Уровень её изменения очень мал по сравнению с

В качестве модели ?(t) можно использовать понятие случайных процессов из теории вероятности. N(t) – грубая ошибка или выброс, редко встречается по сравнению с ?(t), отклонение сигнала S(t) представлена графически историей сигнала S(t).

Как дискретный, так и аналоговый также может быть представлен в виде


Дискретный
51) S(t)=Sп(t)+ ?(t) +N(t) , Sп(t) – полезная составляющая сигнала, которая и отражает действительное значение измеряемой физической величины.

Рис 16. Графическая интерпретация сигнала.

4 ?(t)

S(t)

Sп(t)

N(t)

t

Наличие ?(t) и N(t) в сигнале S(t) вызвана влиянием электромагнитных полей на линии связи по которым передается в сигнал. Это влияние особенно усиливается в промышленных условиях, где много работающих трансформаторов, двигателей и т.д.

Одна из основных характеристик измерения- точность, она связана с ошибкой или погрешностью измерения. Под ошибкой измерения понимают меру разности

, -ошибка измерения, -действительное значение измеряемой физической величины, -измеренное значение этой физической величины.

Количественно существует несколько видов погрешностей:

1. а- абсолютная погрешность

53) а=;

2. - относительная погрешность

0=а/Y ,

54) 0= а/

Теоретически относительная погрешность есть отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеренной физической величины . Однако на практике используют измеренное значение Y ,т.к. действительное значение не известно.

Недостаток 0 объясняется тем, что в абсолютных величинах погрешности измерения различных физических величин трудно сопоставить, т. к. они имеют различную размерность, разный масштаб, от десятых и сотых долей единиц до тысяч и более. Относительные единицы позволяют сравнивать погрешность измерения различных физических величин, т.к. изменяются они в одинаковом диапазоне, от -1 до +1 или от -100% до +100%

3. п- приведенная погрешность

55) п=а/(*100%), D-const;

Чаще всего в качестве D принимают диапазон равный D=, где - начало диапазона, равному начальному значению шкалы приборов. – максимальному значению физической величины, как правило, соответствует шкале измерительного прибора.

4.Средне квадратичная ошибка

56) , где N – число измерений.

С приведенной погрешностью ∆ связанная количественноточностная характеристика измерительной системы или любого его элемента называют классом точности элемента или измерительной системы в целости. Ее обычно обозначают .

- является безмерной величиной, численно связанной с приведенной погрешностью следующим соотношением, которое справедливо для нормально функционирующей, исправной системы.

57) п(%)?кт, т.е. нормально функционирующая исправная измерительная система должна удовлетворять неравенству (57), согласно которому максимальное значение приведенной погрешности любого элемента или всей системы в целом не должно превышать значение класса точности элемента или системы в целом

Зная кт ИС и диапазон измерений, можно определить предельно допустимое значение а.

58)пmax(%)=кт;

59) аmaxт*D;

Численное значение кт не может принимать любое произвольное значение, его величина определена специальным ГОСТом

кт=[0.1;0.2;0.25;0.4;0.5;1]*10k, k=-1,-2,1.

Существуют специальные метрологические службы, которые оценивают ошибки действующих систем измерения и устанавливают, соответствуют ли они заданному классу точности или нет.

Метрология- наука об измерении, разработки и реализация способов измерений, оценки погрешности измерения.

Процесс определения погрешности измерения и установления соответствия между погрешностью измерения и кт называются поверкой.

Следует иметь в виду, что точность ИС связана с дальнейшим использованием результатов измерения. Для одних инженерных задач требуется более высокая точность, для других допускается большая погрешность. Поэтому, прежде чем приобрести измерительную систему, нужно определить, исходя из последующей инженерной задачи, требуемую точность измерения. Не изучив этот вопрос, нельзя покупать измерительную систему более высокой точности. Поскольку, чем выше точность меньше надежность, тем выше цена и стоимость обслуживания вследствие малой надежности.

Существуют несколько способов поверки системы, различие между ними заключается в различном способе представления действительного значения измеряемой физической величины YD . Наиболее распространен способ поверки путем сравнения результатов измерения поверяемой и образцовой системы. За образцовую систему, принимают систему, имеющую более высокий класс точности по сравнению с поверяемой.

Если говорить о процессе измерений, то следует отметить свойство ОИ, связанное с постоянством или не постоянством значений измеряемой физической величины в различных точках пространства объекта в одно и то же время. Если значения измеряемой физической величины, определенные или измеренные в один и тот же момент времени, но в разных точках пространства объекта одинаковы, или их различие не превышает допустимых пределов, то такой объект можно считать объектом с сосредоточенными переменными. Это «очень хороший» объект с точки зрения измерения. Хорош он тем, что значение физических величин можно измерить в любой точке объекта. В противном случае объект называется объектом с распределенными переменными. Он сложен тем, что для оценки его состояния требуется измерять значения физических величин во многих точках пространства, что очень дорого и не всегда реализуемо.

Контроль-это экспериментальный процесс оценки соответствия сигнала измерительной информации к требуемому диапазону его изменения. Для этого предварительно для каждой физической величины должно быть установлено одно или несколько допустимых диапазонов изменения. Пусть например рабочий диапазон значений переменной Y представлен на рис:



Пусть требуемое состояние такого объекта характеризуется следующими выражениями:


Y1

Y2
; если

61) если (t)?

62) если

63) ; если

64) если Y(t)>

(60) нормальная ситуация.

(61) система характеризуется изменением физической величины внутри рабочего диапазона, но близко к одной из допустимых границ, что может потребовать более детального анализа изменения этой величины.

(62) это аварийная ситуация может вызвать аварию и надо применять какие-то решения.

(63) ситуация аналогична но в противоположную сторону от среднего уровня, требует внимательного анализа.

(64) также аварийная ситуация, характеризуется выходом за максимально допустимый предел.

Этот контроль необходим всегда по каждой переменной. Когда говорят, что Y(t) контролируемая величина, это означает, что она, во-первых измеряемая, и во- вторых, контролируемая. Т.е. в соответствии с заданным алгоритмом контроля проверяется выполнение требуемых ограничений, например на диапазон ее допустимого изменения (осуществляется проверка достоверности сигнала измерительной информации).

Кроме контроля каждой измеряемой физической величины в системе управления выполняется функция контроля объекта управления в целом. Под контролем ОУ понимаем оценку его текущего состояния осуществляемую путем совместного контроля множества измеренных физических величин, которые характеризуют состояние этого объекта.

Поскольку состояние объекта оценивается достаточно большим набором физических величин, то задача контроля состояния объекта намного сложнее по сравнению с контролем одной физической величины. Эта сложность возрастает в условиях неопределенности, вызванной, например, ошибками измерения и отсутствием измерений некоторых важных физических величин.

Процесс контроля осуществляется в системе контроля. Следует помнить, что система контроля является более сложной, чем система измерения. Она включает в себя систему измерения и соответственно реализует функцию измерения и кроме того, она реализует еще и функцию оценивания текущего состояния объекта управления. Для того чтобы система контроля функционировала нормально и выполняла свои функции, необходимо предварительно разработать алгоритм контроля, т.е. специальные правила, на основе которых текущее состояние объекта сравнивается с заданным. Задача контроля может быть сравнительно простой, если состояние объекта управления характеризуется малым набором физических величин, практически отсутствует неопределенность при оценке состояния( ошибки измерения малы, отсутствуют неконтролируемые входные воздействия). В этом случае границы между возможными состояниями объекта определяются сравнительно точно.

Графически пример контроля такого объекта можно представить следующим образом.

Рис 17.


S

S

S

S
безымянный12 S={S1,S2,S3,S4}

Как видно из рисунка такой объект имеет четыре возможных состояния: S1, S2, S3, S4. Границы между этими состояниями могут быть точно описаны в виде уравнений или неравенств. Практически отсутствует неопределенность и можно сравнительно просто оценить возможный переход, например из состояния в и

Технологические объекты управления являются динамическими, и характеризуются большим числом физических величин, с помощью которых можно оценить их состояние, а также функционируют в условиях неопределенности, т.е. имеются неконтролируемые внешние воздействия. Результатам измерения присущи значительные ошибки в том числе и грубые. Для таких объектов задача контроля усложняется.

Границы между возможными состояниями Si и Sj размыты, как это показано ниже на рис 18.


Si
Рис 18. безымянный13


j

Как видно из рис 18, оценить однозначно переход из Si и Sj практически не возможно.

Поэтому зачастую при контроле состояния таких объектов возможна ошибка контроля. Соответственно ,эта ошибка контроля состояния объекта может привести к неправильно принятым мерам для устранения отклонений состояния объекта от требуемого, т.е. привести к ошибкам реализации следующей функции системы управления: регулирования.

3.Регулирование-процесс поддержания заданного состояния объекта, поддержание заданного режима, траектории движения, и этот процесс реализуется в системах регулирования. Естественно, что система регулирования включает в себя, как основные части, систему измерения и систему контроля. Согласно определению данной функции заданный режим, траектория, должны быть известны заранее, т.е. они вырабатываются за пределами системы регулирования и поступают на вход системы регулирования из вне, в виде задающих воздействий(Y*(t)).

В зависимости от того, какие данные используются при выработке регулирующих воздействий, изменяется и структура системы регулирования. При этом под регулирующим воздействием будем понимать целенаправленное воздействие, которое вырабатывается внутри системы регулирования и направлено на компенсацию, устранение отклонений фактических значений Y(t) от заданных значений Y*(t). Та часть системы, где вырабатываются регулирующие воздействия, называется регулятором, а формальные правила , аналитические выражения реализуемые этим регулятором, называется алгоритмом или законом регулирования. Именно с помощью закона регулирования и вырабатываются конкретные значения регулирующих воздействий.

Стр.



Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации