Основные цели и этапы синтеза регуляторов

Основной задачей при проектировании системы автоматического управления является выбор её структурной схемы, характеристик и схемы взаимодействия элементов, а также способа их технической реализации, отвечающего динамическим, энергетическим и эксплуатационным требованиям, предъявляемым к системе. Эту задачу можно разделить на две части. Первая часть задачи заключается в выборе источников энергии и определении принципа действия функционально необходимых элементов на основе изучения условий работы проектируемой системы. Вес, габариты, надёжность работы и стоимость системы в значительной мере будут определяться рациональным решением первой части задачи. Вторая часть задачи заключается в выборе структурной схемы и параметров функционально необходимых элементов и корректирующих устройств из условия удовлетворения требованиям, предъявляемым к динамическим свойствам системы. От решения второй части задачи зависят динамические и статические свойства системы автоматического управления, её сложность, стоимость, надёжность и т.д. Естественно, что обе задачи тесно связаны между собой.

Основными этапами синтеза являются:

1) определение эталонной передаточной функции, удовлетворяющей требованиям качества управления;

2) энергетический расчёт элементов;

3) определение структурной схемы и параметров проектируемой системы по желаемой передаточной функции.

На первом этапе синтеза из условия удовлетворения ТТТ (порядку астатизма, минимуму среднеквадратической ошибки, допустимому перерегулированию, длительности переходного процесса, динамической ошибке и т.д.) определяется эталонная передаточная функция системы автоматического управления.

На втором этапе синтеза производится энергетический расчёт элементов, входящих в нескорректированную систему (двигателя, усилителя мощности, измерительного устройства), и определяются параметры этих элементов.

На третьем этапе синтеза определяется конфигурация (полная структурная схема системы с учётом корректирующих устройств), общий коэффициент усиления системы в разомкнутом состоянии, схемы, параметры и место включения корректирующих устройств из условия соответствия передаточной функции скорректированной системы эталонной передаточной функции.

На четвёртом этапе производится экспериментальная доводка системы управления.

С точки зрения сложности задачи синтеза можно разделить на три категории:

1. Задача выбора параметров системы из условия достижения требуемых показателей качества процессов управления (задача выбора

2. Задача синтезарегуляторов (корректирующих устройств), которая состоит в выборе места включения, определении структуры и параметров корректирующих устройств, исходя из требований к качеству процессов управления. Часто в такой постановке место включения корректирующих устройств бывает заданным.

3. Общая задача синтеза системы, заключающаяся в определении общей структурной схемы системы, технических средств её реализации, включая требования к объекту управления, а также всех характеристик и параметров, входящих в систему устройств, на основе технических требований, предъявляемых к системе.

Необходимо отметить, что чем лучше будет решена задача синтеза аналитическим путём, тем меньше будут затраты времени и средств, при переходе к экспериментальным исследованиям и окончательной доводке системы[2].

Условная структурная схема, иллюстрирующая основные этапы создания САУ, приведена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Условная структурная схема, иллюстрирующая процесс
создания САУ сложными объектами

Этап 1.Формулировка цели управления, выбор управляемых переменных и формулировка требований к ним.Пример: система управления баллистической ракеты. Цель управления — поражение объектов вероятного противника; управляемые переменные — углы, характеризующие движение ракеты (курс, крен, тангаж); требования — изменение управляемых переменных должно обеспечить выполнение всего алгоритма управления, включая реализацию точностных параметров и т.д.

Этап 2. Выбор структуры (конфигурации системы), места включения корректирующих устройств.Выбор источников энергии и функционально необходимых элементов с учетом их надежности, массы и габаритов, условий функционирования (вибрация, влажность, температура и др.); выбор мощности исполнительного элемента (она должна соответствовать требованиям, предъявляемым к быстродействию системы, кроме того, на основе опыта должна быть произведена оценка дисперсии на входе привода), энергетический расчет исполнительного устройства, усилителя мощности и т.д. (на этом этапе необходимо помнить о возможной несогласованности энергетического расчета элементов, входящих в систему с динамическим расчетом, результаты которого определяют процессы управления, т.е. динамические процессы, протекающие в системе, в которой потоки информации, а также решения и действия для достижения цели управления структурно реализуются в виде замкнутого контура, т.е. системы с обратной связью). При выборе элементов ориентируются на функциональную полноту, быстродействие, надежность, потребляемую мощность, стоимость, помехозащищенность, технологичность; оценивается значимость различных элементов, давая приоритет тем, которые наиболее существенно влияют на конфигурацию и основные характеристики проектируемой системы.

Результат реализации 2-го этапа: детальная функциональная схема проектируемой САУ с результатами энергетического расчета, т.е. с результатами, полностью характеризующими энергетическую часть системы.

Этап 3.Построение математических моделей функционально необходимых элементов.С помощью изучения физических процессов, протекающих в элементах, или в результате решения задачи идентификации находятся математические модели элементов в форме ДУ или ПФ: объекта управления, гироскопических датчиков углов, датчиков ускорений, угловых скоростей, температуры, давления, расхода и т.д. Важность степени полноты математического описания элементов, а следовательно, и системы в целом, глубокая проработка и конструктивное решение задачи синтеза регулятора приводят к радикальному сокращению всех видов работ (учитывая и материальные расходы, связанные с экспериментальной отработкой системы).

Результат реализации 3-го этапа: детальная структурная схема проектируемой САУ (она не включает ПФ корректирующих устройств).

Этап 4. Выбор эталонной ПФ или эталонной переходной характеристики.Обязательно учитывают при этом два фактора: цель управления и динамические характеристики функционально необходимых элементов (выбор без учета динамических характеристик функционально необходимых элементов может привести к чрезмерной сложности корректирующих устройств, а иногда к их физической нереализуемости, поскольку учет только первого фактора приводит к необходимости синтеза регулятора, обладающего большими возможностями в плане решения задачи коррекции в структуре сложной системы).

Результат реализации 4-го этапа: аналитическая зависимость, определяющая и

Этап 5.Выбор и обоснование структуры корректирующих устройств,реализующих последовательную коррекцию, параллельную коррекцию, отрицательные корректирующие обратные связи (пассивные и активные четырехполюсники постоянного тока, реализующие ПФ реальных интегрирующих, дифференцирующих, инерционных, интегро-дифференцирующих звеньев); дифференцирующие трансформаторы (часто используются в виде параллельных КУ), пассивные четырехполюсники переменного тока, дискретные корректирующие устройства и т.д. Основой для предварительного выбора КУ является ПФ неизменяемой части (например, если ПФ неизменяемой части порождает в области частоты среза отрицательный запас по фазе, то для обеспечения необходимых динамических свойств необходимо вводить КУ, создающее опережение по фазе; если неизменяемая часть САУ содержит слабо демпфированные колебания или консервативные звенья, то используются КУ, подавляющие высокие и средние частоты, создающие отрицательный фазовый сдвиг без изменения АЧХ (фазосдвигающие КУ)).

Результат реализации 5-го этапа: детальная структурная схема проектируемой САУ, содержащая ПФ КУ без численных значений параметров.

Этап 6. Расчет численных значений параметров КУ.При реализации этого этапа целесообразно построить области устойчивости системы в пространстве варьируемых параметров, т.е. найти совокупность значений параметров, при которых система не только устойчива, но и обеспечиваются необходимые запасы устойчивости.

Результат реализации 6-го этапа: первый вариант детальной структурной схемы проектируемой САУ, полученной с использованием аналитического аппарата.

Этап 7. Исследование синтезированной САУ с точки зрения выполнения ею цели управления.7-й этап завершает оценочный количественный результат, при этом имели место упрощение математических моделей элементов и системы, исключение из рассмотрения некоторых параметров, соотношений, несмотря на их заметное влияние на работу САУ. Все это позволило привлечь хорошо разработанный математический аппарат и получить при принятых допущениях точное решение, которое можно использовать как базовое при реализации следующих этапов создания САУ. Проектирование — это итерационный, нелинейный, творческий процесс, и при первой итерации опытные разработчики прибегают к упрощению сложных систем.

Если качество САУ не удовлетворяет ТТТ, необходимо изменить конфигурацию системы, более конструктивно выбрать функционально необходимые элементы с учетом условий работы САУ и изменить структуру регулятора.

Этап 8.Моделирование САУ. С учетом следующих преимуществ компьютерного моделирования:

· поведение системы можно исследовать при самых разных условиях;

· детальные исследования САУ можно выполнить за короткий промежуток времени;

· изучение поведения системы в таких гипотетических условиях, которые трудно реализуемы в реальных условиях (безопасность и др.);

· выявление параметров, в наибольшей степени влияющих на показатели качества САУ, исследование при различных задающих и возмущающих воздействиях (различные маневры цели, различные точки приложения помех с различными статическими характеристиками), определение чувствительности системы к отказам тех или иных ее составляющих;

· моделирование практически не накладывает ограничений как на степень сложности проектируемой САУ, так и на степень сложности решаемых системой задач (аналитический аппарат в этих случаях практически неприменим)

проводится полное моделирование проектируемой системы с учетом нелинейностей, переменности параметров и др.; оно является основным инструментом проектирования САУ на этапе, предшествующем аппаратной реализации САУ. Математический аппарат и компьютерное моделирование дополняют друг друга.

Результат: один из вариантов структурной схемы проектируемой САУ, поскольку итерационный процесс может быть продолжен.

Этап 9.Формирование технического задания, предварительное эскизное, техническое проектирование и испытание соответственно макетов, экспериментальных и опытных образцов; запуск серийного производства.