СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Синтез системы управления

Синтез системы управления — это уникальный пример технического проектирования. Еще раз подчеркнем, что цель проектирования состоит в определении конфигурации сис­темы, требований, которым она должна удовлетворять, и задании основных параметров, удовлетворяющих предъявляемым к системе требованиям.

Первый шаг процесса синтеза — это определение назначения системы. Например, мы можем заявить, что целью управления является поддержание заданного значения ско­рости вращения электродвигателя. Второй шаг — это указать те переменные, которые подлежат управлению (в нашем случае это скорость вращения). На третьем шаге мы дол­жны предъявить требования к точности, с которой необходимо поддерживать скорость вращения электродвигателя. Последнее определяет выбор датчика, с помощью которого измеряется переменная, подлежащая управлению.

Поставив себя на место инженера, первое, что мы должны сделать, — это попытаться создать конфигурацию системы, которая обладала бы желаемым качеством. Такая конфи­гурация обычно включает в себя датчик, объект управления, исполнительное устройство и регулятор, как показано на рис. 1.9. Следующий шаг состоит в выборе кандидата на роль исполнительного устройства. Принятие решения здесь зависит от типа объекта управления, но в любом случае выбранное устройство должно быть способно эффективно влиять на поведение объекта управления. Например, если мы хотим управлять скоростью вращения махового колеса, то в качестве исполнительного устройства нам надлежит вы­брать электродвигатель. При этом датчик должен быть способен измерять скорость с вы­сокой точностью. Наконец, мы должны получить модель для каждого из этих элементов.

Следующий шаг состоит в выборе регулятора, который часто представляет собой сумматор, выполняющий операцию сравнения желаемого и действительного значений выходной переменной объекта, и следующий за ним усилитель сигнала ошибки.

Заключительный шаг процедуры синтеза состоит в настройке параметров системы, которые обеспечивали бы желаемые показатели качества. Если в результате подбора па­раметров мы сможем достигнуть желаемого качества, то процесс синтеза на этом закан­чивается и нам остается оформить рабочую документацию. В противном случае, возмож­но, потребуется заменить конфигурацию системы или выбрать исполнительное устройст­во и датчик с улучшенными характеристиками. После этого мы должны будем повторять все этапы синтеза до тех пор, пока не будут удовлетворены требования, предъявляемые к системе, или пока мы не решим, что эти требования являются слишком жесткими и их не­обходимо ослабить. Процесс синтеза системы управления наглядно изображен на рис. 1.19.

Требования к качеству замкнутой системы управления должны затрагивать ее основ­ные характеристики, к которым относятся (1) хорошая компенсация возмущений, (2) же­лаемый вид реакции на задающее входное воздействие, (3) адекватные выходные сигналы исполнительного устройства, (4) малая чувствительность к изменению параметров и

(5) робастность.

На техническое проектирование сильное влияние оказало появление мощных и срав­нительно недорогих компьютеров, а также высокопроизводительных программных средств анализа и синтеза систем управления. Например, самолет Боинг-777, оснащен­ный самой современной бортовой аппаратурой, был почти полностью спроектирован с помощью компьютерных технологий. Высокоточное компьютерное моделирование край­не важно для проверки результатов синтеза систем. Во многих случаях сертификация сис­темы управления путем натурного моделирования требует значительных затрат времени и денег. Тот же Боинг-777 около 2400 раз был испытан с помощью компьютерного моде­лирования, прежде чем был построен первый самолет этой серии.

Другим замечательным примером анализа и синтеза с применением компьютеров яв­ляется создание экспериментальной ракеты DC-Х Дельта Клиппер корпорации МакДон - нелл Дуглас, которая была спроектирована, построена и испытана в полете всего за 24 ме­сяца. Это позволило сэкономить примерно 80% финансовых вложений и 30% времени.

Подводя итог, можно дать следующую формулировку задачи синтеза регулятора: дана модель объекта управления (вместе с датчиком и исполнительным устройством), а также установлены цели управления; требуется определить соответствующий регулятор либо прийти к заключению, что таковой создать невозможно.

1.6. Пример синтеза: управление скоростью вращения диска

Во многих современных приборах используется диск, который должен вращаться с посто­янной скоростью. Это, например, проигрыватель компакт-дисков или грампластинок, дис­ковод компьютера, требующие вращения с постоянной скоростью, несмотря на износ и из­менение характеристик электродвигателя и вариацию других параметров. Наша задана со­стоит в синтезе системы управления скоростью вращения диска, которая гарантировала бы, что действительная скорость отличается от желаемой не более, чем на заданную вели­чину. Мы рассмотрим два варианта решения этой задачи: разомкнутая система и система с обратной связью.

Чтобы обеспечить вращение диска, мы должны в качестве исполнительного устрой­ства выбрать электродвигатель постоянного тока, скорость вращения которого пропорци­ональна приложенному напряжению. Этот входной сигнал двигателя должен иметь до­статочную мощность, поэтому нам также потребуется выбрать усилитель.

а)

Разомкнутая система (без использования обратной связи) изображена а рис. 1.20 (а). В этой системе для задания напряжения, пропорционального желаемой скорости, исполь­зована батарея. Затем это напряжение усиливается и подается на двигатель. Функциона­льная схема данной системы изображена на рис. 1.20 (б).

Чтобы реализовать систему с обратной связью, нам необходимо выбрать датчик. Од­ним из возможных решений является тахогенератор, выходное напряжение которого про­порционально скорости вращения его вала. Тогда замкнутая система будет иметь вид, изображенный на рис. 1.21 (о). Функциональная схема этой системы приведена на рис. 1.21 (б). Сигнал ошибки образуется как разность между входным напряжением и на­пряжением тахогенератора.

а)

Тахогенератор

Рис. 1.21. (а) Замкнутая система управления скоростью вращения диска; (б) Функциональная схема системы

Можно ожидать, что замкнутая система по своим характеристикам будет превосхо­дить разомкнутую, т. к. она всегда будет стремиться свести ошибку к минимуму. Если элементы системы обладают стабильными характеристиками, то в замкнутой системе можно добиться точности поддержания заданного значения скорости, в 100 раз превыша­ющей аналогичный показатель разомкнутой системы.