В наше время в мире насчитывается огромное количество различных автоматических систем, их число с каждым годом постоянно увеличивается. И все они требуют качественного оптимального управления, принципы которого на стадии проектирования должен заложить в них разработчик. Ведь умный дом нагревает комнату до желаемой температуры не потому, что он внезапно чудесным образом поумнел, а квадрокоптер так лихо летает не из-за того, что в нем где-то спрятана магия! Магии здесь никакой нет, во всем виновата теория автоматического управления или просто ТАУ.
Чтобы дом нагревал, а квадрокоптер летал, во-первых, нужно иметь информацию об их состоянии в данный момент и об условиях окружающей среды. Дому полезно будет знать температуру в помещении, для коптера актуальными данными могут быть положение в пространстве и высота. Все это собирается определенным типом устройств, называемых датчиками или сенсорами. Сегодня на рынке представлено множество типов датчиков: датчики температуры, давления, влажности, тока, напряжения, скорости, ускорения, магнитного поля и многие другие.
Далее полученные данные с датчиков нужно как-то обработать, и этим занимаются регуляторы. Регулятор представляет собой какое-либо математическое выражение, запрограммированное в контроллере (или спаянное на операционных усилителях, резисторах и конденсаторах, если уж совсем по олдскулу), которое на основании информации об управляющем воздействии (задании от пользователя) и данных с датчиков формирует сигнал для оптимального управления рабочим органом (нагревательным элементом, двигателем и т.п.).
Здесь с помощью датчика формируется обратная связь, которая позволяет САУ всегда быть в курсе последних событий и не давать задающему воздействию монополию на управление устройством, в противном случае без учета внешних возмущающих воздействий система бы пошла в разнос. Из-за наличия обратной связи такие системы называют замкнутыми. Существуют и разомкнутые системы, у которых нет датчиков или иных инструментов, сообщающих информацию о внешнем мире. Но они предельно просты и для управления сложными объектами практически не пригодны, поскольку нужно досконально знать весь объект, изучить и описать его поведение во всевозможных ситуациях. Поэтому такие системы не являют собой комплексные агрегаты и в основном управляются по времени. В качестве примера можно отметить простейшее устройство поливки цветов по таймеру.
Разомкнутые системы не представляют особого интереса, поэтому дальше будем препарировать только замкнутые. Выше был показан пример с одним контуром, поскольку обратная связь там одна. Но для более точного управления сложными объектами требуется знать несколько величин, влияющих на поведение этого объекта, а значит нужно иметь несколько датчиков, несколько обратных связей и несколько регуляторов. В итоге САУ превращается в многоконтурную.
Вообще с точки зрения структурной организации наиболее широкое распространение получили САУ с последовательной коррекцией (рисунок 2) и САУ с параллельной коррекцией (рисунок 3).
Как видно из рисунков, эти САУ имеют разную организацию регуляторов и обратных связей. В случае с последовательной коррекцией выходная величина регулятора внешнего контура является входной для регулятора внутреннего контура. То есть сначала корректируется одна величина, затем корректируется другая и умножается на предыдущую и так далее по цепочке. Такая САУ также называется системой подчиненного регулирования. В системах с параллельной коррекцией сигналы с датчиков поступают на вход одного регулятора, который должен все это обрабатывать. В итоге у каждой системы имеются свои достоинства и недостатки. САУ с параллельной коррекцией работают быстро, но очень сложны в настройке, поскольку при проектировании в одном регуляторе нужно учесть все нюансы различных обратных связей. Для САУ с последовательной коррекцией выработаны четкие методики и правила проектирования, регуляторы настраиваются последовательно и без больших проблем, но быстродействие таких САУ не велико, поскольку чем больше контуров, тем больше нескомпенсированных постоянных времени, и тем дольше сигнал добирается до выхода.
Существуют также комбинированные САУ, представляющие собой особый вид магии, доступный просвещенным джедаям, и с помощью них действительно достигается непревзойденная мощь и гибкость в деле управления Вселенной. И такие системы в дальнейшем, возможно, также будут рассмотрены.
© digitrode.ru