Замкнутые, разомкнутые и другие системы автоматизации

Системы, использующие в различных технических объектах переработанную информацию и построенные на различных принципах автоматического регулирования, делятся на замкнутые и разомкнутые в зависимости от характера взаимодействия регулятора и объекта регулирования.

В разомкнутых системах обеспечивается требуемое (запрограммированное заранее, соответствующее изменению некоторой произвольной величины или же постоянное, стабилизированное) значение регулируемого параметра путем непосредственной подачи управляющего воздействия на объект управления независимо от результатов этого воздействия. Работа такой системы не зависит, таким образом, от того, насколько правильным или успешным было это воздействие. Примером может служить привод координатных перемещений, осуществляемый шаговым двигателем. В идеале, величина перемещения исполнительного органа (например, суппорта токарного станка) должна равняться общему числу импульсов, поступивших на вход этого двигателя, а скорость перемещения должна соответствовать частоте поступления импульсов и меняться вместе с изменением этой частоты. Однако практически вследствие наличия погрешностей в кинематической цепи, связывающей шаговый двигатель с исполнительным органом, такого соответствия может и не быть, что особенно проявляется при реверсировании движения. Кроме того, некоторые импульсы могут быть «проглочены» шаговым двигателем, т. е. система управления выдаст на двигатель положенное число импульсов, а его вал повернется на меньший, чем требовалось, угол. Поэтому отсутствие информации о результатах воздействия на объект управления является принципиальным недостатком разомкнутых систем управления и может привести к большим отклонениям регулируемого параметра от требуемого значения. Но это же в ряде случаев является достоинством таких систем, так как в них управляющее воздействие подают на объект регулирования сразу, не дожидаясь, когда регулируемый параметр отклонится от требуемого значения.

Если источником управляющих воздействий в разомкнутых системах является человек, то такая система называется автоматизированной. Если источником управляющих воздействий в разомкнутых системах служит какое-либо задающее устройство, либо параметры внешней среды, то такая система является автоматической. Разомкнутая система является по своей структуре простейшей системой автоматического или автоматизированного управления.

Противоположностью разомкнутым системам являются замкнутые системы, в которых осушествляется двустороннее взаимодействие регулятора и объекта управления. Здесь существует два потока информации — прямой и обратный. Прямой поток информации соответствует управляющему воздействию регулятора на объект, а обратный поток — воздействию объекта управления на регулятор, что, собственно, и называется обратной связью. Фактическое текущее значение регулируемого параметра сравнивается с заданным, и полученный таким образом сигнал ошибки используется для модулирования потока энергии от внешнего источника и формирования управляющего воздействия.

Очевидно, что системы, использующие принцип регулирования по возмущению, являются разомкнутыми системами, а использующие принцип регулирования по отклонению — замкнутыми.

Системы, использующие информацию для задач управления тем или иным технологическим или исследовательским объектом в машиностроении, по их принципиальной структуре мож;

Рис. 13.5. Классификационная схема систем автоматического управления.

но подразделять и далее, что показано на классификационной схеме рис. 13.5.

Как замкнутые, так и разомкнутые системы могут быть разделены на системы прямого и непрямого действия.

Системы прямого действия формируют управляющее воздействие за счет энергии регулируемого параметра, а системы непрямого действия — за счет энергии дополнительного внешнего источника.

В зависимости от вида используемой внешней энергии системы непрямого действия могут быть разделены на электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные.

В зависимости от характеристик элементов, из которых строятся автоматические системы, их делят на линейные и нелинейные. Линейными называют такие системы, у которых зависимость между установившимися значениями выходных и входных параметров представляет собой прямую линию (пропорциональная зависимость), а динамические (переходные) процессы описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Нелинейные системы характеризуются нелинейными зависимостями между установившимися значениями входных и выходных величин, а также нелинейными дифференциальными уравнениями, описывающими переходные процессы. Фактически все реальные процессы и системы являются нелинейными, хотя отклоняются от идеального линейного представления в различной степени. Для задач исследования и описания реальные нелинейные математические модели процессов и устройств часто линеаризуют, т. е. по известным правилам, не забывая при этом о возникающих погрешностях, заменяют приближенными к ним линейными моделями.

По виду зависимости между входной и выходной величинами элементов, входящих в автоматические системы, их делят на аналоговые и дискретные. Заметим, что если в системе есть хотя бы один дискретный элемент, т. е. такой элемент, у которого плавному изменению входной величины будет соответствовать скачкообразное (дискретное), или, как говорилось выше, квантованное изменение выходной величины, то вся система будет относиться к дискретным. Как линейные, так и нелинейные системы могут быть и аналоговыми, и дискретными, но не любыми дискретными, а только теми, у которых величина того или иного параметра изображается числом или серией импульсов (унитарным кодом). Если же система или какой-либо ее элемент обладает релейным выходом, то вся эта система должна быть отнесена к релейным и считаться нелинейной системой. Примером нелинейной системы такого рода с релейным воздействием может служить система поддержания температуры в закалочной термопечи, с включением или выключением (в зависимости от результатов измерения) нагревательного элемента.

В зависимости от их структуры все автоматические системы делят .на одноконтурные и многоконтурные. Под контуром в структурной схеме системы понимается замкнутый участок.

Рис. 13.6. Одноконтурная (а) и двухконтурная (6) автоматические системы цепи, образованный элементами схемы и различного рода прямыми и обратными связями, существующими в этой схеме. Одноконтурные системы имеют лишь одну обратную связь. Многоконтурные системы имеют несколько прямых и обратных связей, каждая из которых образует свой замкнутый контур. Примеры одноконтурной и двухконтурной систем приведены на рис. 13.6. Многоконтурные системы по сравнению с одноконтурными при прочих равных условиях обладают лучшими динамическими свойствами, но они значительно сложнее для описания и анализа.

В зависимости от числа регулируемых параметров автоматические системы делятся на одномерные и многомерные.

Многомерные системы, в свою очередь, могут быть разделены на системы связанного и несвязанного управления. Системы несвязанного управления характеризуются тем, что регуляторы каждого параметра непосредственной связи между собой не имеют, и их взаимодействие осуществляется только через объект управления. В системах связанного управления регуляторы отдельных параметров, кроме того что они взаимодействуют через общий для них объект управления, также и непосредственно связаны друг с другом.