В чем заключается принцип разомкнутого управления
Принцип разомкнутого управления
Принципы управления
В основе построения САУ лежат некоторые фундаментальные принципы управления, определяющие, каким образом, осуществляется увязка алгоритмов управления с заданным и фактическим функционированием объекта управления, а иногда и с причинами, вызвавшими отклонение.
В ТАУ, в основном, используются следующие принципы:
— принцип разомкнутого управления (управление по жесткой программе);
— принцип управления по возмущению (принцип компенсации);
— принцип управления по отклонению (принцип обратной связи);
— комбинированный принцип управления.
Принцип разомкнутого управления является самым простым и достаточно распространенным в технических системах. Схема САУ, реализующей данный принцип приведена на рис.1.3.
Рис. 1.3. Схема САУ, реализующей принцип разомкнутого управления.
Сущность принципа разомкнутого управления состоит в том, что алгоритм управления строится только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируется по фактическому значению управляемой переменной. На рис. 1.3. приняты следующие обозначения: ЗАФ – за датчик алгоритма функционирования, УУ – устройство управления; 
— задающее воздействие, характеризующее планируемое воздействие на вход САУ. Устройство управления приводится в действие за датчиком алгоритма функционирования сигналом и воздействует на объект управления сигналом 
так, чтобы значение управляемой переменной y(t) было равным или близким к заданному значению . Близость y(t) и обеспечивается жесткостью характеристик системы. При наличии значительных возмущений n(t) величина y(t) может значительно отклониться от y*(t). В этом случае управление станет не пригодным и необходимо переходить к другим принципам управления. Принцип разомкнутого управления иногда называют принципом управления по жесткой программе. САУ, реализующие принцип разомкнутого управления относятся к разомкнутым системам управления.
В чем заключается принцип разомкнутого управления
1.2. Фундаментальные принципы управления
1.2.1. Принцип разомкнутого управления
Рассмотрим САУ хлебопекарной печи (рис.1). Ее принципиальная схема показывает принцип действия данной конкретной САУ, состоящей из конкретных технических устройств. Принципиальные схемы могут быть электрическими, гидравлическими, кинематическими и т.п.
Технология выпечки требует изменения температуры в печи по заданной программе, в частном случае требуется поддержание постоянной температуры. Для этого надо реостатом регулировать напряжение на нагревательном элементе НЭ. Подобная часть ОУ, с помощью которой можно изменять параметры управляемого процесса называется управляющим органом объекта (УО). Это может быть реостат, вентиль, заслонка и т.п.
Часть ОУ, которая преобразует управляемую величину в пропорциональную ей величину, удобную для использования в САУ, называют чувствительным элементом (ЧЭ). Физическую величину на выходе ЧЭ называют выходной величиной ОУ. Как правило, это электрический сигнал (ток, напряжение) или механическое перемещение. В качестве ЧЭ могут использоваться термопары, тахометры, рычаги, электрические мосты, датчики давления, деформации, положения и т.п. В нашем случае это термопара, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное температуре в печи, подаваемое на измерительный прибор ИП для контроля. Физическую величину на входе управляющего органа ОУ называют входной величиной ОУ.
1.2.2. Принцип компенсации
Достоинство принципа компенсации : быстрота реакции на возмущения. Он более точен, чем принцип разомкнутого управления. Недостаток : невозможность учета подобным образом всех возможных возмущений.
1.2.3. Принцип обратной связи
Принцип разомкнутого управления
Сущность принципа заключается в том, что алгоритм управления вырабатывается только на основе алгоритма функционирования и не контролируется другими факторами-возмущениями или выходными координатами процесса. Функциональная схема показана ниже
Близость Х и Хо обеспечивается только конструкцией и подбором физических закономерностей, действующих в элементах. Несмотря на очевидные недостатки принцип используется довольно широко. Элементы, входящие в разомкнутую цепь входит в состав любой системы, поэтому принцип представляется настолько простым, что его не всегда выделяют как один из фундаментальных принципов.
К элементам разомкнутого типа можно отнести:
логические элементы и, или, не, датчики программы и сам программный механизм, т.е. устройство пуска и, например, программированный кулачковый механизм счетно-решающие элементы.
Принцип регулирования по возмущению (компенсации)
Состоит в том, что из различных возмущений, действующих в системе, выбирается одно главное, на которое реагирует САР. В этом случае компенсируется внешнее влияние на регулируемый параметр только основного возмущающего воздействия, и управляющее воздействие вырабатывается в системе в зависимости от результатов изменения основного возмущения, действующего на объект.
Применение ограничено объектами, характеристики которых известны.
Поскольку система, по сути, разомкнутая, появляются отклонения управляемой величины с изменением характеристик объекта и элементов системы
Устраняются воздействия, по которым созданы компенсационные каналы.
5.3. Принцип регулирования по отклонению (принцип Ползувова-Уатта)
1) Уменьшает отклонение регулируемой величины не зависимо от факторов вызвавших это отклонение.
2) Менее чувствителен к изменениям параметров элементов системы по сравнению с разомкнутыми системами.
1) В простых одноконтурных системах нельзя достичь абсолютной инверсности.
2) Возникает проблема устойчивости.
Управляющее (регулирующее) воздействие вырабатывается на основании разности регулируемой и задаваемой величин. Единственным образом заданная связь называется главной. Регулируемый параметр через главную обратную связь подается на вход регулятора с обратным знаком по отношению к q(t). Поэтому главная связь считается отрицательной.
Отрицательная черта замкнутой системы ее универсальность. Любое отклонение регулируемого параметра от заданного значения вызывает появление управляющего воздействия независимо от числа, вида и места приложения возмущений.
В системах, работающих по принципу отклонения для формирования управляющего воздействия необходимо наличие ошибки. Само по себе это является недостатком, так как именно ошибку требуется изменить регулятором. При управлении сложными инерционными объектами, когда управляющее воздействие не может вызвать мгновенного изменения регулируемого параметра, возникающая ошибка может иметь недопустимо большое значение.
Комбинированное регулирование
Каждый из рассмотренных выше примеров имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому для создания автоматических систем высокой точности обычно используют принцип комбинированного регулирования, сочетающий в себе оба принципа.
В комбинированной системе внешнее воздействие компенсируется регулирующим воздействием в соответствии с его изменением, а воздействие по отклонению используется для устранения погрешностей, возникающих в результате неточности регулирования.
Принцип адаптации
Принципы адаптации (приспособление) используется в самонастраивающихся САР. Особенностью их является то, что они автоматически приспосабливаются к изменяющимся условиям работы и автоматически выбирают оптимальный закон регулирования. Рассмотренные ранее САР с неизменной настройкой регулируемого параметра, в которых процесс регулирования сводится к ликвидации отклонения, не могут обеспечить нормальную работу объекта регулирования, если его статические и динамические характеристики изменяются во времени. В таких случаях необходимо изменить или настройки регулятора, или характеристики и параметры отдельных элементов системы, или схему элементов, или даже вводить в действие новые элементы.
MT1400: Общая теория систем
Формирование конкретных принципов управления началось в технике. Была разработана теория автоматического регулирования, которая в последующем была расширена до более широкого применения и названа теорией автоматического управления. Большим достижением теории автоматического управления являются общие принципы управления, разработанные в этой теории, которые названы фундаментальными и являются достаточно общими. Эти принципы пытаются применить и для управления в социально-экономических системах.
Основными из этих принципов являются следующие.
Сущность принципа состоит в том, что управление осуществляется с помощью заданного алгоритма или программы.
Условно этот принцип управления представлен на рис. 2.14, на котором показаны: устройство, вырабатывающее программу или закон функционирования %%x(t)%%, объект управления, помехи %%z_j%% выходной результат %%y_<вых>%%, устройство, которое принято обозначать специальным знаком — кругом, разделенным на секторы, вырабатывающее совокупность управляющих воздействий %%u(t)%% или выявляющее наличие рассогласования результата с требуемым (как на рис. 2.14).
В некоторых случаях блок выработки закона управления и управляющее устройство совмещены.
Схема имеет вид разомкнутой цепи, в которой основное воздействие передается от входа к выходу, выполняя заданную программу (закон функционирования), что и дало название принципу. При таком принципе управления помехи %%z_j%% могут исказить желаемое %%y_<вых>%%. Тем не менее благодаря простоте этот принцип широко используется.
По разомкнутoму принципу построены устройства пуска музыкальной шкатулки, магнитофона и других аудиоустройств, станки с программным управлением, управление конвейером.
2. Принцип компенсации, или управления по возмущениям. Этот принцип называют также принципом управления с упреждением.
При таком принципе используется устройство, измеряющее помехи и вырабатывающее компенсирующие воздействия, которые корректируют закон управления (рис. 2.15).
Устройство такого рода называют компенсирующим устройством.
Простейшим примером такого принципа являются устройства, обеспечивающие стабилизацию напряжения при колебаниях постоянного тока. К настоящему времени в теории автоматического управления разработано много разнообразных компенсационных механизмов, в соответствии с типом которых выделяют подклассы устройств и даже детализируют принцип компенсационного управления в соответствии с этими видами устройств.
Этот принцип используется при планировании на предприятиях: при разработке планов учитывается, что производительность труда зависит от износа оборудования, от квалификации рабочих, смены и т.п., и при расчете времени на выполнение плановых заданий вводятся соответствующие корректировки в форме коэффициентов износа оборудования, коэффициентов сменности и т.п.
3. Принцип обратной связи, или управления по отклонению.
Принцип иллюстрируется рис. 2.16. Получаемые значения %%y_<вых>%% корректируются на основе измерения отклонений %%\Delta y%% от требуемого результата %%y_<треб>%% называемого в теории автоматического управления «уставкой».
Понятие обратной связи легко иллюстрируется на примерах технических и электронных устройств. Однако при использовании этого понятия применительно к социально-экономическим системам это понятие не всегда верно интерпретируется.
Обратная связь может быть:
Примером строя, основанного на использовании стабилизирующей (отрицательной) обратной связи в управлении, является классический капитализм: обратная связь обеспечивается регулированием рынка рабочей силы, т.е. увольнением работников при перепроизводстве товаров или, напротив, дополнительным приемом на работу при необходимости увеличить производство товаров.
4. Совмещение принципов обратной связи и управления с упреждением.
Для совершенствования управления используют различные способы совмещения принципов управления (например, модель типа приведенной на рис. 2.17).
По принципу обратной связи функционируют основные регуляторы организма человека (при прикосновении к горячему утюгу человек автоматически отдергивает руку и т.п.). Такой эффект подобен работе термостата (регулятора температуры). Но регуляторы человека только в раннем детстве работают по принципу термостата. В последующем, обжегшись или оступившись несколько раз, ребенок приобретает условный рефлекс, оберегающий его от боли, и регуляторы человека начинают работать по принципу, называемому гомеостазом, упрощенной моделью которого может быть сочетание принципов управления, приведенное на рис. 2.17.
Приведенные принципы позволяют также глубже понять проблему адаптации.
Адаптация — в широком смысле способность системы приспосабливаться к изменяющимся условиям среды, помехам, исходящим от среды и оказывающим влияние на систему.
Если система не может приспосабливаться к изменениям окружающей среды, то она погибает.
В процессе приспособления могут изменяться: количественные характеристики системы (например, параметры автопилота при изменении динамических характеристик летательного аппарата); структура системы (например, ящерица способна отбрасывать хвост при необходимости, аналогично способность корректировки организационной структуры считается полезной характеристикой предприятия и организации, обеспечивающей их адаптивность); корректироваться закон функционирования, поведение системы.
В развивающихся системах существуют различные формы адаптации: рост системы, настройка и самонастройка, обучение и самообучение, объединение систем в коллектив и, наоборот, — распад системы на отдельные части и т.д.
Высокоорганизованные адаптивные системы обладают, кроме того, способностью изменять внешнюю среду для того, чтобы не было необходимым изменение поведения систем.
Рассматриваемые модели для пояснения представлены в графической форме. Однако они могут быть отображены и формальными аналитическими методами, которые помогают проводить исследования функционирования и устойчивости систем.
Регулирование по разомкнутому и замкнутому циклам в системах управления и автоматики
Замкнутый принцип управления
Такая система отличается от предыдущей лишь наличием обратной связи по скорости. Схема ниже:
Наличие обратной связи с тахогенератора 5 сравнивать заданную скорость вращения с реальной и в итоге возникает ошибка ∆U = UП – UТГ. При этом сигнал ошибки будет подаваться на усилитель, который в свою очередь будет увеличивать скорость якоря машины до тех пор, пока ошибка ∆U не станет равной нулю или значению допустимой ошибки. Допустимая ошибка в таких системах определяется необходимой точностью, задаваемой технологическим процессом.
При автоматическом регулировании могут сочетать оба принципа управления и замкнутый и разомкнутый в сочетании друг с другом.
Лекция по автоматике
Основные законы управления
Под законом управления в автоматике понимают математическую зависимость, по которой управляющее устройство или регулятор воздействует на объект управления. В автоматике будут рассмотрены только простейшие законы управления, в которых управляющие воздействия линейно зависят от отклонения от его интеграла и дифференциала.
1.Пропорциональный закон (П-закон).
Это закон реализуется пропорциональным регулятором (П-регулятором). П-регулятор реализует статическое регулирование. Рассматриваемы законы регулирования реализуются при помощи автоматических устройств или регуляторов, на вход которых подается отклонение управляемой величины (сигнал рассогласования), а на выходе формируется управляющее воздействие.
Уравнение П-закона имеет вид:
где кр— коэффициент передачи регулятора (коэффициент усиления регулятора).
U(t) — управляющее воздействие (формируется на выходе регулятора).
e(t) — отклонение управляемой (регулируемой) величины от заданного значения (поступает на вход регулятора).
2.Интегральный закон (И-закон).
Рассматриваемый закон реализуется И-регулятором в процессе астатического регулирования. Уравнение закона:
где кр — коэффициент передачи И-регулятора
Ти — постоянная времени интегрирования И-регулятора
3.Пропорционально-интегральный закон (ПИ-закон)
Данный закон регулируется ПИ-регулятором, т.е. происходит пропорциональное регулирование с интегральной коррекцией. Регулирование в данном случае является астатическим. Выражение ПИ-закона:
4.Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон (ПИД-закон).
Данный закон регулируется ПИД-регулятором, а само регулирование является астатическим. Выражение этого закона:
где Ти; Тд — постоянные времени интегрирования и дифференцирования ПИД-регулятора.
Графики поведения управления управляемой величины во времени, при участии в системе различных регуляторов. Рассматриваемый ОУ обладает свойством саморегулирования.
1 — система самовыравнивания без регулирования.
2 — система с П-регулятором.
3 — система с И-регулятором.
4 — система с ПИ-регулятором.
5 — система с ПИД-регулятором.
Разомкнутый принцип управления
В таких системах не используют обратные связи и по своей структуре они довольно просты. Пример схемы такой системы показан ниже:
Это система управления скоростью вращения якоря двигателя постоянного тока которая имеет следующий алгоритм работы: задающее воздействие перемещает движок 2 потенциометра 1, тем самым меняя напряжение на усилителе 3. Изменение напряжения приводит к изменению тока машины 4 и соответственно его скорости вращения. Измерение скорости вращения машины измеряют с помощью тахогенератора 5 и с помощью стрелочного прибора 6 приводят напряжение на выходе тахогенератора к доступному для человеческого глаза виду. Если движок потенциометра будет приводить в движение человек, то такое управление называют ручным.
В данной схеме отсутствует обратная связь, поэтому ее называют разомкнутой. Регулирование координат таким образом довольно проблематичное занятие, так как чтоб получить точное значение скорости необходимо провести довольно точную градуировку системы, что довольно таки затруднительно. Даже при отличной градуировке все элементы системы подвержены износу, что делает необходимым производить частые градуировки. Также при изменении какого – то параметра (например, возрос момент нагрузки вала) скорость вращения электродвигателя просядет, но система никак не отреагирует на это. Поэтому, если нужно поддреживать какую – то из переменных величин постоянной, используют замкнутые системы управления.
СИСТЕМЫ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
Во многих установках и машинах требуется достичь заранее заданное значение физической величины вне зависимости от внешнего воздействия. Для достижения этого требуется реализация трех функций: измерение, сравнение и регулировка. Требуемый рабочий цикл выполняется в так называемом контуре управления. Контуры управления можно разделить на разомкнутые и замкнутые.