Виды систем автоматизарованного управления

2.1 Системы автоматической стабилизации, 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. Действующие возмущения 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 (системы автоматического регулирования), предназначенные для регулирования скорости, напряжения, температуры, давления; например, стабилизатор курса самолёта и т.д. Система автоматического регулирования представляет собой комплекс, состоящий из регулируемого объекта 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 установкой 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.

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 разность между управляющим воздействием и регулируемой величиной в данный момент времени. Примером систем программного регулирования могут служить системы управления копировально-фрезерным станком.

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.

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 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. При наличии усилителей регулирующее устройство называется регулятором непрямого действия. В зависимости от наличия усилителей, автоматическая система называется, соответственно, системой прямого, либо 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.

2.2 Системы статического и астатического регулирования

Системы автоматической стабилизации, следящие системы и системы программного регулирования также 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.

2.3 Системы 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.

2.4 Системы регулирования по возмущению и системы

комбинированного регулирования

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.

2.5 Самонастраивающиеся системы

Самонастраивающаяся система  автоматического управления – самоприспосабливающаяся  система, в которой приспособление к случайно изменяющимся условиям обеспечивается автоматическим изменением параметров настройки или путём автоматического  поиска оптимальной настройки. В  любой несамонастраивающейся автоматической системе управления имеются параметры, которые влияют на устойчивость и качество процессов управления и могут быть изменены при регулировке (настройке) системы. Если эти параметры остаются неизменными, а условия функционирования (характеристики управляемого объекта, возмущающие воздействия) существенно изменяются, то процесс управления может ухудшиться или даже стать неустойчивым. Ручная настройка системы часто оказывается обременительной, а иногда и невозможной. Использование в таких случаях адаптивных (самонастраивающихся) систем технически и экономически целесообразно и даже может оказаться единственным способом надёжного управления.

Адаптивные системы подразделяют на поисковые и беспоисковые. В  поисковых системах необходимое  качество управления достигается в  результате автоматического поиска оптимальной (в некотором смысле) настройки. Качество настройки характеризуется  некоторым обобщённым показателем, связанным с первичными параметрами  настройки сложным, обычно не вполне стабильным и недостаточно известным  соотношением. Этот показатель измеряется непосредственно или вычисляется  по измеренным значениям первичных  параметров. Параметрам настройки в  придаются поисковые или пробные  изменения. Анализ колебаний показателя качества настройки, вызванных поисковыми воздействиями, позволяет установить, является ли настройка оптимальной, т. е. соответствующей экстремуму (максимуму  или минимуму) показателя качества. Если имеют место отклонения от экстремума, то настройка изменяется до тех пор, пока не приблизится к оптимальной. Поисковые адаптивные системы могут  работать при изменении внешних  условий в широких пределах.

Беспоисковые системы  имеют перед поисковыми системами  определённое преимущество, обусловленное  тем, что поиск оптимального состояния  отнимает значительное время, т. е. время  самонастройки поисковых систем ограничено снизу. В них используется некоторый контролируемый показатель качества управления (например, значение производной контролируемого параметра  по времени). Автоматической настройкой параметров этот показатель поддерживается в заданных пределах.

В зависимости от вида показателя различают системы с контролем  переходных процессов, с контролем  частотных характеристик, с эталонной  моделью и др. Всё это - замкнутые беспоисковые самонастраивающиеся системы с замкнутым контуром самонастройки, в котором параметры настройки автоматически изменяются при выходе показателя качества за допустимые пределы. Некоторые замкнутые беспоисковые системы близки к обычным нелинейным системам автоматического управления с пониженной чувствительностью к характеристикам объекта - к таким, например, как релейные системы или управления системы с переменной структурой. Наряду с замкнутыми применяют также разомкнутые беспоисковые адаптивные системы - системы параметрической компенсации. В них контролируются воздействия, вызывающие изменение свойств объекта, и по заранее рассчитанной программе изменяются параметры настройки системы; контур самонастройки в этом случае разомкнут. Такая самонастройка может быть почти мгновенной, однако её осуществление требует контроля окружающей среды и достаточно точного знания законов воздействия среды на управляемый объект.

Самонастройка реализуется  как специальной аппаратурой (в  виде блоков самонастройки или самонастраивающихся  экстремальных регуляторов), так  и адаптивными алгоритмами центральных  управляющих ЦВМ. Придание алгоритмам управления свойств самонастройки (адаптации) существенно расширяет  возможности управления разнообразными процессами. Внедрение этих систем позволяет приблизиться к оптимальным  режимам функционирования объектов, облегчает задачу унификации систем управления, сокращает время на испытания  и наладку, снижает технологические  требования на изготовление ряда узлов  устройств управления, освобождает  обслуживающий персонал от трудоёмких операций настройки. Практическое использование  адаптивных систем и самонастраивающихся  алгоритмов - одна из характерных черт технического прогресса в области  управления.

3 Автопилоты

Пилотирование (от франц. piloter - вести самолёт), управление движением  летательного аппарата, осуществляемое пилотом или системой автоматического  управления с целью изменения  или сохранения режима полёта. Пилотирование  управляемых беспилотных самолётов  осуществляется по командам оператора  с наземного пункта, передаваемым  посредством электромагнитных волн (телеуправляемые беспилотные летательные  аппараты), или по командам бортовой автоматической системы управления в соответствии с заранее составленной программой (беспилотные летательные  аппараты с автономным управлением).