Управление, регулирование и классификация систем автоматического регулирования

Предмет изучения теории управления и радиоавтоматики

Одними из первых автоматические регуляторы были использованы в поплавковых регуляторах парового котла И.И. Ползунова (1765 г.) и затем в регуляторах скорости вращения машин Дж. Уатта (1784 г.). Все последующие годы работы велись по улучшению основных характеристик автоматических механизмов. Однако в 1876 году петербургский профессор И.А. Вышнеградский отметил, что увеличение точности работы механизмов ведет к его неустойчивой работе в динамическом режиме. Позднее он сформулировал критерий устойчивости систем третьего порядка. В радиотехнике системы автоматического регулирования были использованы в устройствах автоматической регулировки усиления в первых радиоприемниках. Радиоавтоматика (РА) как самостоятельный класс в науке обязана появлению такой науке как кибернетика. Выделение систем РА в самостоятельный класс обусловлено также и их особенностями, связанными с условиями работы в составе радиотехнических систем и систем радиоуправления. К особенностям работы данных систем относятся и обработка радиосигнала при действии различного рода помех. Надежность и качество работы систем РА определяет качество работы радиоаппаратуры и систем радиоуправления.

В современных радиотехнических устройствах различного назначения и системах радиоуправления широко используются автоматические системы, которые называются системами радиоавтоматики (системами РА). К числу таких систем относятся устройства фазовой (ФАПЧ) и частотной (АПЧ) автоподстройки частоты, автоматической регулировки усиления (АРУ), системы измерения координат движущихся объектов, измерители дальности, различные следящие системы устройств и систем радиоуправления.

Изложение основ построения, метода анализа и проектирования систем радиоавтоматики применительно к радиотехническим устройствам и системам является основной задачей данного учебного пособия.

Управление, регулирование и классификация систем автоматического регулирования

В основу теории автоматического управления положена теория автоматического регулирования, которая сформулирована в самостоятельную научную дисциплину в конце 30-х годов. Регулирование представляет собой разновидность управления.

Автоматическим регулированием называется поддержание постоянной или изменение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс, осуществляемое при помощи измерения, состояния объекта или действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта.

Автоматическим управлением называется автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.

При рассмотрении систем управления выделяют два вида управления: автоматическое и автоматизированное (рис. 1.1).

Рис. 1.1 - Классификация систем управления

Под автоматическим управлением понимается процесс воздействия на объект без вмешательства человека. Под автоматизированным управлением - процесс воздействия на объект с участием человека (оператора). Математическая модель системы автоматического управления (САУ) описывается выражением:

СУ = ОУ + УУ,

где СУ – система управления; ОУ – объект управления; УУ – устройство управления.

При решении задачи управления необходимо, чтобы режим работы объекта управления автоматически изменялся в соответствии с сигналами управления или входными воздействиями. Модель объекта управления изображена на рис. 1.2.

Рис. 1.2 - Модель объекта управления

Состояние объекта определяется рядом величин, характеризующих как воздействие на объект внешней среды и управляющих устройств, так и протекание процессов внутри самого объекта. Одни из этих величин измеряются в процессе работы и называются контролируемыми. Другие, влияющие на режим работы объекта, не измеряются и называются неконтролируемыми.

Величины, выражающие внешние влияния на объект, называются воздействиями. Воздействия, вырабатываемые управляющим устройством или задаваемые человеком, называются управляющими воздействиями. Воздействия на объект, не зависящие от системы управления, называются возмущениями.

Функциональная схема системы автоматического управления имеет вид (рис. 1.3).

Рис. 1.3 - Функциональная схема автоматической системы

управления

В состав автоматической системы входят: ОУ – техническое устройство, над которым производится операция управления (объект управления); УУ – техническое устройство, с помощью которого осуществляется автоматическое управление объектом (управляющее устройство). В процессе управления на ОУ воздействуют: X – возмущающее воздействие, изменяющее состояние ОУ и препятствующее процессу управления; Y – выходная (регулируемая) величина, характеризующая состояние ОУ; u – управляющее воздействие (сигнал управления); z – задающее воздействие, содержащее информацию о требуемом значении воздействия.

Системы РА классифицируются по различным признакам, а именно:

По принципу построения:

§ управление по отклонению (системы автоматической и фазовой подстройки частоты) и возмущению (системы автоматической регулировки усиления).

По виду входного сигнала:

§ системы стабилизации, где входной сигнал постоянный (система автоматической стабилизации частоты, напряжения);

§ системы программного управления, в которых входной сигнал является известной величиной (системы управления антенной РЛС в режиме поиска и др.);

§ следящие системы, в которых сигнал является случайной величиной (система автоматического сопровождения цели РЛС).

По виду используемого УУ различают два основных типа систем управления: РАЗОМКНУТЫЕ системы и ЗАМКНУТЫЕ системы.

Разомкнутые системы управления - системы, в которых выходная (регулируемая) величина не изменяется, и могут быть классифицированы:

§ по возмущению или по входному воздействию (рис. 1.4, а);

§ по задающему воздействию (по заданной программе) (рис. 1.4, б);

§ по задающему и возмущающему воздействиям и является полным видом разомкнутой системы управления (рис. 1.4, в).

Рис. 1.4 - Функциональная схема разомкнутых автоматических

систем управления

Замкнутые системы управления (рис. 1.5) имеют обратную связь. В замкнутой системе устройство управления стремится ликвидировать все отклонения регулируемой величины Y от его значения и не зависит от причин, вызвавших эти отклонения, включая любые возмущения, вызванные внешними и внутренними помехами.

Рис. 1.5 - Функциональная схема замкнутых автоматических

систем управления

Основные замкнутые системы управления строятся по схеме с обратной связью и управляются по отклонению и возмущению (рис. 1.3).

В зависимости от вида уравнения, описывающего процессы в системах, различают непрерывные и дискретные, линейные и нелинейные, стационарные и нестационарные системы РА.

Одна и та же система может характеризоваться несколькими признаками. Примером может служить система автоматической регулировки усиления (см. гл. 2.1), являющаяся нестационарной нелинейной системой.

В современных радиотехнических устройствах и системах важную группу составляют цифровые системы, в состав которых входят компьютеры, микропроцессоры и микроконтроллеры. С точки зрения математического описания цифровые системы РА являются дискретными нелинейными.

Для улучшения качества работы системы РА в управляющем устройстве могут вырабатываться не только сигналы управления, но и изменяться алгоритмы управления и перестраиваться параметры системы (коэффициенты усиления звеньев, постоянные времени корректирующих устройств). В результате изменения алгоритма управления достигается высокое качество работы системы. Подобные системы РА называют адаптивными.