УДК 658.5.011.56:51
Донецкий национальный технический университет,
ул. Артёма 58, Донецк, 83000,тел. (0622)99-99-01,E-mail: info@donntu.ru
Источник: Автоматизация: проблемы, идеи, решения. Материалы международной научно-технической конференции 26-30 мая 2003 г. г.Севастополь
Системы автоматического управления классифицируются по различным признакам:
-по характеру изменения управляющего воздействия различают системы автоматической стабилизации, программного регулирования и следящие системы.
-по виду передаваемых сигналов выделяют системы непрерывные, с гармонической модуляцией, импульсные, релейные и цифровые.
-по способу математического описания, принятого при исследовании, выделяют линейные и нелинейные системы. Обе группы могут быть представлены непрерывными, дискретными и дискретно-непрерывными системами.
-по виду контролируемых изменений своих свойств различают неприспосабливающиеся и приспосабливающиеся (адаптивные) системы. В последнем классе можно выделить самонастраивающиеся системы с самонастройкой параметров или воздействий и самоорганизующиеся системы с контролируемыми изменениями структуры.
-в зависимости от принадлежности источника энергии, при помощи которого создаётся управляющее воздействие, системы могут быть прямого и непрямого действия. В системах прямого действия используется энергия управляемого объекта. К ним относятся простейшие системы стабилизации (уровня, расхода, давления и т.п.), в которых воспринимающий элемент через рычажную систему непосредственно действует на исполнительный орган (заслонку, клапан и т.д.). В системах непрямого действия управляющее воздействие создаётся за счёт энергии дополнительного источника.
1. Системы автоматической стабилизации, программного регулирования и следящие системы.
Системы автоматического регулирования в зависимости от характера изменения управляющего воздействия делятся на три касса. Различают системы автоматической стабилизации, системы программного регулирования и следящие системы.
Системы автоматической стабилизации характеризуются тем, что в процессе работы системы управляющее воздействие остаётся величиной постоянной.
Основной задачей системы автоматической стабилизации является поддержание на постоянном уровне с допустимой ошибкой регулируемой величины независимо от действующих возмущений, которые вызывают отклонение регулируемой величины от предписанного ей значения. Отклонением регулируемой величины называется разность между значением регулируемой величины в данный момент времени и её значением, принятым за начало отсчёта.
Понятие отклонения регулируемой величины является характерным для систем автоматической стабилизации и позволяет дать качественную оценку динамическим свойствам систем этого класса.
Системами автоматической стабилизации являются различного рода САР, предназначенные для регулирования скорости, напряжения, температуры, давления; например, стабилизатор курса самолёта и т.д.
Системы программного регулирования отличаются тем, что управляющее воздействие изменяется по заранее установленному закону в функции времени или координат системы.
О точности воспроизведения управляющего воздействия на выходе системы воспроизведения судят по величине ошибки, которая определяется разностью между управляющим воздействием и регулируемой величиной в данный момент времени.
Примером систем программного регулирования могут служить системы управления копировально-фрезерным станком.
Наладка станка с числовым программным управлением начинается с того, что наладчик производит поверку управляющей программы, отвечающей за выполнение станком определенного производственного процесса. Проверку же устройств, хранящих эту программу и приводящих ее в действие, возможно поручить процедуре РОSТ. Это возможно в том случае, когда головным устройством станка является ЭВМ, Данная программа относится к диагностическому программному обеспечению, призванному выявить и известить оператора о вероятных сбоях, причиной которых могут служить неполадки в работе определенных компонентов данной системы. Указанная процедура позволяет проверить работоспособность, как всей системы, так и отдельных ее узлов и агрегатов.
Хранится процедура POST (Power-On Self Test) на материнской плате ПК в ROM BIOS и запускается на выполнение сразу после включения. Проверке подлежат, прежде всего, центральный процессор, ПЗУ, оперативная память, вспомогательные элементы материнской платы и основные периферийные устройства. Эта проверка выполняется весьма быстро. При обнаружении неисправного компонента выдается предупреждение или сообщение об ошибке (неисправности), по которому, как правило, возможно определение ее причины. Такие неисправности называют фатальными ошибками (fatal error).
Проверка, осуществляемая процедурой РОSТ, является первой и основной защитой системы, особенно если обнаруживаются серьезные неисправности в материнской плате. В том случае, если неполадка достаточно серьезная, дальнейшая загрузка операционной системы приостанавливается и выдается сообщение об ошибке (неисправности), Процедурой РОSТ предусматриваются такие способы оповещения, как звуковые сигналы и шестнадцатеричные коды ошибок, выдаваемые в порт ввода-вывода.
Звуковое оповещение представляет собой характерные звуковые сигналы системного динамика материнской платы, по которым можно определить неисправный элемент (или их группу). Если же компьютер исправен, то при его включении он выдает один короткий звуковой сигнал, а при обнаружение неисправности выдается целая серия коротких или длинных звуковых сигналов, а, иногда, и их комбинация, которую сложно определить просто на слух, если она состоит из большого числа сигналов. Эти "коды Морзе" зависят от версии BIOS и разработавшей ее фирмы. Например, 11 коротких сигналов предупреждают о неполадках кэш-памяти, один длинный и три коротких сигнала - неисправность видеоадаптера и т. п.
В связи с тем, что станки с числовым программным управлением находятся в производственных комплексах с высоким уровнем шума, контроль следования звуковых импульсов, подаваемых процедурой РOSТ весьма затруднен. Учитывая данную ситуацию, обеспечим вывод количества указанных сигналов и их тип на индикацию, что позволит оператору безошибочно определить причину сбоя системы.
Сигнал для разработанного устройства можно снимать непосредственно с выводов системного динамика на материнской плате, после чего он поступает на селекторы импульсов, определяющие тип сигнала (длинный или короткий). С одного из селекторов импульсов сигнал поступает на счетчик, собранный в ИМС К155ИЕ6. Двоичный код, полученный на выходе счетчика, подается на преобразователь, заключенный в ИМС К514ИД1 (преобразователь двоично-десятичного кода в сигналы управления семисегментным индикатором). В схеме преобразователя происходит синтез позиционного кода из управляющего сигнала на его входе. Индикацию сигналов в данном устройстве осуществляют два полупроводниковых знакосинтезирующих индикатора АЛС324А.
В результате работы схемы на двух индикаторах высвечивается количество длинных и коротких сигналов, представляющих собой код ошибки.
В следящих системах управляющее воздействие также является величиной переменной, но математическое описание его во времени не может быть установлено, так как источником сигнала служит внешнее явление, закон изменения которого заранее неизвестен. В качестве примера следящей системы можно указать на радиолокационную станцию автоматического сопровождения самолёта. Так как следящие системы предназначены для воспроизведения на выходе управляющего воздействия с возможно большей точностью, то ошибка, так же как и в случае систем программного регулирования, является той характеристикой, по которой можно судить о динамических свойствах следящей системы. Ошибка в следящих системах, как и в системах программного регулирования, является сигналом, в зависимости от величины которого осуществляется управление исполнительным двигателем.
2. Основные элементы систем автоматического регулирования.
Система автоматического регулирования представляет собой комплекс, состоящий из регулируемого объекта и регулятора. По характеру используемых элементов и функциям, которые они выполняют, системы автоматической стабилизации, следящие системы и системы программного регулирования принципиальных различий не имеют. В соответствии с принципом действия системы автоматического регулирования можно выделить основные элементы, как правило, присутствующие во всех системах.
Во всех трёх группах систем управляющее воздействие сравнивается с регулируемой величиной. Для выполнения операции сравнения применяются устройства, называемые элементами сравнения. Управляющее воздействие и регулируемая величина, поступающие на два входа элемента сравнения, должны быть предварительно преобразованы и приведены к сигналам одного вида энергии и размерности. Эти операции выполняются измерительным элементом со стороны управляющего воздействия.
В большинстве случаев непосредственное использование выходного сигнала элемента сравнения для приведения в действие регулирующего органа объекта не представляется возможным. Поэтому возникает необходимость в предварительном усилении сигнала, как по величине, так и по мощности. Кроме того, часто необходимо осуществить и преобразование сигнала, связанное с формой представления воздействия, и перевод его из одного вида энергии в другой. Эти функции обычно выполняются тем или иным усилителем. Таким образом, в системах автоматического регулирования в числе основных устройств в большинстве случаев применяют усилительный элемент. В практике могут встретиться случаи, когда применение усилителей не обязательно. При этом регулятор непосредственно действует на регулирующий орган и называется регулятор прямого действия. Автоматическая система с регулятором прямого действия называется системой прямого регулирования. При наличии усилителей регулирующее устройство называется регулятором непрямого действия. Автоматическая система с регулятором непрямого действия называется системой непрямого регулирования.
Приведение в действие регулирующего органа объекта обычно осуществляется с помощью исполнительного элемента.
В системе автоматического регулирования, составленной из объекта регулирования, элемента сравнения, усилителя и исполнительного элемента, динамические процессы могут протекать недостаточно качественно, по тем или иным причинам процесс регулирования может оказаться вообще неустойчивым. Для того чтобы система автоматического регулирования обладала устойчивым процессом и удовлетворяла требуемым условиям качества процесса регулирования, применяют корректирующие устройства.
Таким образом, система автоматического регулирования состоит из объекта регулирования и регулятора. Регулятор включает в себя такие основные элементы, как элемент сравнения, усилитель, исполнительный элемент и корректирующие устройства.
Обычно системы автоматического регулирования представляют в виде структурных схем. Эта структурная схема может представлять все три группы систем, то есть системы автоматической стабилизации, следящие системы и системы программного регулирования. Принципиальной разницы между этими системами по применению и назначению элементов нет. Есть некоторое различие в задающем элементе. Так, например, задающий элемент в системе автоматической стабилизации вырабатывает управляющее воздействие постоянной величины, которое называется уставкой регулятора и с которой сравнивается регулируемая величина при работе системы. При работе схемы в режиме следящей системы задающий элемент должен обеспечить измерение управляющего сигнала, поступающего на следящую систему извне.
3. Статическое и астатическое регулирование.
Системы автоматической стабилизации, следящие системы и системы программного регулирования разделяют на две группы: системы статические и системы астатические (не имеющие статической ошибки).
Система автоматического регулирования будет статической по отношению к возмущающему воздействию, если при стремлении возмущающего воздействия к постоянной величине отклонения регулируемой величины также стремится к постоянной величине, отличной от нуля и зависящей от величины приложенного воздействия.
Систему автоматического регулирования можно назвать статической по отношению к управляющему воздействию, если при стремлении последнего к постоянной величине ошибка также стремится к постоянной, отличной от нуля, величине и зависит от значения приложенного воздействия.
Система автоматического регулирования будет астатической по возмущающему воздействию, если при стремлении возмущающего воздействия к постоянной величине отклонение регулируемой величины стремится к нулю и не зависит от величины приложенного воздействия. Система автоматического регулирования будет астатической по отношению к управляющему воздействию, если при стремлении управляющего воздействия к постоянной величине ошибка стремится к нулю и не зависит от величины воздействия.
4. Системы автоматического регулирования непрерывного, импульсного и релейного действия.
В зависимости от вида сигналов различают системы автоматического регулирования непрерывные, релейные и импульсные.
Особенностью непрерывных систем является то, что во всех элементах, составляющих систему, входные и выходные сигналы являются непрерывными функциями времени. К числу непрерывных систем относятся также системы с гармонической модуляцией. При этом для передачи сигнала могут быть использованные амплитудно-модулированные, частотно-модулированные колебания и колебания с модулированной фазой.
5. Регулирование по возмущению и комбинирование регулирование.
Процесс реализации компенсации возмущающего воздействия называется регулированием по возмущению. Регулирование по возмущению обладает достоинствами и недостатками. В числе достоинств следует отметить высокое быстродействие. К недостаткам нужно отнести то, что цепь компенсации обеспечивает необходимое качество регулирования только при действии того возмущения, на которое она рассчитана. При действии другого возмущения и необходимости компенсировать его действие нужно вводить новую цепь компенсации, что, конечно, усложняет систему. Цепь компенсации не является обратной связью, потому что по этой цепи передаётся входной сигнал, а не регулируемая (выходная) величина объекта.
В системах, использующих принцип обратной связи или принцип регулирования по отклонению, решающее значение имеет сам факт отклонения регулируемой величины от установленной программы независимо от характера величины, вызвавшей это отклонение. Поэтому в системах автоматического регулирования по отклонению нет недостатка, имеющего место в системах регулирования по возмущению.
В технике автоматического регулирования имеются системы, в которых совмещаются достоинства регулирования по отклонению и возмущению. Система, в которых одновременно используются оба принципа регулирования, называются комбинированными, а принципы в этих системах - комбинированным регулированием.