Система автоматического управления

Системой автоматического управления (САУ) называется система управляющая частью какого-либо технологического процесса или отдельным техническим оборудованием без участия человека.

Система автоматического управления (в отличие от автоматизированной системы управления) состоит из двух основных элементов — объекта управления и автоматического управляющего устройства. САУ  могут функционировать самостоятельно а также могут являться частью автоматизированной системы управления.

Объектом управления САУ может быть часть какого-либо технологического процесса (регулирование температуры, давления, расхода; автоматический контроль геометрических параметров обрабатываемой детали; и т.д.), или самостоятельное техническое оборудование (автоматическое включение и выключение освещения).

Управляющее устройство осуществляет автоматическое управление ходом технологического процесса либо  функционированием самостоятельного технического оборудования.

Классификация систем автоматического управления  по назначению

  1. Системы логического управления (СЛУ) дискретными и цикловыми процессами.
  2. Системы автоматического регулирования (САР) непрерывных  процессов.

2.1. Системы автоматической стабилизации какого-либо параметра (стабилизирующие системы).

2.2. Системы изменения какого-либо параметра по заданной программе (программно-управляемые системы).

2.3. Системы экстремального регулирования;

  1. Системы воспроизведения произвольно изменяющегося входного воздействия (следящие системы);
  2. Адаптивные системы автоматического управления.

В системах логического управления управляющее устройство осуществляет заранее заданную последовательность выполнения операций дискретного или циклового процесса.

В системах автоматического регулирования управляющее устройство (регулятор) поддерживает значение аналогового параметра непрерывного или дискретного технологического процесса (давление, уровень, температура и т.д.) на заданной величине или изменяет по заданной программе.

На параметры технологического процесса влияют возмущающие воздействия, значения которых заранее неизвестны, поэтому их влияние устраняется или компенсируется в соответствии с видом САР.

В системах автоматической стабилизации величина регулируемого параметра поддерживается на заданном значении. В случае отклонения величины регулируемого параметра от заданного значения в результате воздействия возмущающих воздействий, система автоматической стабилизации возвращает значение регулируемого параметра к заданному.

В системах программного регулирования текущее значение технологического параметра изменяется по заранее заданной программе.

В системах экстремального регулирования достигается экстремальное (минимальное или максимальное) значение критерия качества.

Критерием качества (который также называется целевой функцией, показателем экстремума или экстремальной функцией) может быть либо непосредственно измеряемая физическая величина (температура, давление, напряжение, ток), либо КПД, производительность и др.

 Экстремальное регулирование осуществляется в условиях неопределённости поведения объекта управления,  поэтому при экстремальном регулировании сначала получают необходимую исходную информацию об объекте, а затем на основе полученной информации вырабатывают рабочие воздействия, обеспечивающие достижение экстремума качества. Для получения исходной информации об объекте на него подаются пробные воздействия, изучается реакция объекта на эти воздействия, и выбираются те из них, которые изменяют целевую функцию в нужном направлении.

Таким образом при экстремальном регулировании решаются две задачи:

— нахождение градиента целевой функции, определяющего направление движения к экстремуму в пространстве регулируемых координат при наличии помех, возмущений и инерционности объекта оптимизации;

— организация устойчивого движения системы в направлении точки экстремума за минимально возможное время либо при минимизации каких-либо других показателей.

К экстремальным системам также относятся системы релейного регулирования.

Системы экстремального регулирования широко применяются  при настройке резонансных контуров и автоматических измерительных устройств, при отыскании оптимальных параметров настраиваемых моделей, при управлении химическими реакторами, нагревательными установками, процессами дробления и флотации.

В следящих системах управления значение регулируемого параметра изменяется в соответствии с изменением входного воздействия.

В адаптивных системах управления автоматически изменяются параметры или структура регулятора в зависимости от изменения параметров объекта управления или внешних возмущений, действующих на объект управления.

При этом могут быть использованы комбинации линейных регулирующих законов. Например, если известно, что при  одном линейном законе регулирования происходит быстрое изменение начальной настройки, но с большими последующими колебаниями, а при другом – медленное изменение, но плавный подход к новому установившемуся режиму, то можно включить сначала регулирование  по первому закону, а затем в момент, когда отклонение достигнет определенного значения, переключить систему управления на регулирование по второму закону. В результате процесс регулирования будет изображён кривой, объединяющей оба качества — быстроту и плавность процесса. В этом случае процесс регулирования получается без характерных для ПИ- и ПИД-регуляторов колебаний и перерегулирования, при малом времени регулирования.

 

Системы автоматического управления могут быть замкнутыми и разомкнутыми.

В замкнутых САУ имеется отрицательная обратная связь, то есть значение выходного сигнала объекта управления вычитается из значения сигнала задатчика и разность подаётся на вход регулятора, который корректирует значение своего управляющего воздействия на объект. Например, регулирование технологических параметров объекта (давления, температуры, уровня жидкости и т.д.).

В разомкнутых САУ  обратной связи нет, и управление осуществляется без контроля результата, основываясь лишь на заложенной в САУ модели управляемого объекта. Например, автоматическая система полива газона, автоматическая стиральная машина и т.д.

 

В зависимости от описания переменных САУ подразделяются на линейные и нелинейные.

Линейные САУ — САУ, все параметры которых описываются линейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями.

Нелинейные  САУ  — САУ, поведение которых не может быть описано линейными функциями состояния или линейными дифференциальными уравнениями.

Стационарные САУ  — САУ, все параметры уравнения движения которых не изменяются во времени.

 Нестационарные САУ (САУ с переменными параметрами)  — САУ, в которых хотя бы один параметр уравнения движения системы изменяется во времени.

Детерминированные САУ – САУ, в которых определены внешние (задающие) воздействия и которые описываются непрерывными или дискретными функциями во времени.

Стохастические САУ — САУ, в которых возникают случайные сигнальные или параметрические воздействия, и которые описываются стохастическими  дифференциальными или разностными уравнениями.

САУ с распределенными переменными  — САУ в которых есть хотя бы один элемент, описание которого задается дифференциальным уравнением в частных производных.

Гибридные САУ – САУ, в которых непрерывная динамика, порождаемая в каждый момент времени, перемежается с дискретными командами, посылаемыми извне.