Поскольку блоки это физические элементы, то функциональная схема САУ единственна и может отличаться лишь детализацией элементов

Элементами самой укрупненной схемы являются: объект управления (О) и управляющее устройство (УУ), как показано на рисунке 21.

Если мы будем детализировать функциональную схему, то в объекте управления, например, можно выделить:

· управляющий орган УО,

· исполнительный механизм ИМ и

· чувствительный элемент ЧЭ – датчик.

О

УУ

ЧЭ

ИМ

ОУ

z(t)

x(t) ε (t) u(t) y(t)

 

Рис.23. Детализация функциональной схемы САУ.

Все сигналы (синонимы: воздействия, величины), обозначаемые на функциональной схеме стрелками можно разделить на следующие виды:

· u(t) – управляющий сигнал (управляющее воздействие) – это сигнал управляющего устройства. Управляющий сигнал является входным, внешним воздействием по отношению к объекту управления. Входной сигнал подают на вход объекта с целью изменения управляемой (выходной) величины.

· y(t) – управляемый сигнал (переменная) – это реакция объекта, отклик на воздействие. Она являются выходным по отношению к объекту управления.

· x(t) - задающее воздействие - это величина, в соответствии с которой должна изменяться управляемая величина объекта. Задающая (отслеживаемая) величина подается на вход системы. Она так же является внешней по отношению к объекту управления.

· z(t) – возмущающее воздействие (неуправляемое). Эта величина характеризует совокупность факторов, причин, воздействующих на объект управления и препятствующих его требуемому поведению. Она так же является внешней по отношению к объекту управления.

 

Если выходной сигнал САУ подается на вход системы, то говорят, что система охвачена главной обратной связью, как показано на рисунке 12. Обратной связью может быть охвачена не вся система, а только часть ее элементов (не главная обратная связь).

Главная обратная связь является отрицательной – сигнал на выходе сумматора равен разности задающей и управляемой величины:

 

ε (t) = y(t) - x_з(t).

 

Сигнал ε (t) называется ошибкой управления.

 

В зависимости от наличия или отсутствия обратной связи САУ могут быть:

· замкнутые;

· разомкнутые.

 

В замкнутых САУ в процессе функционирования на суммирующее устройство поступает сигнал, определяющий величину управляемого параметра, а в разомкнутых САУ такая информация отсутствует.

К разомкнутым относятся все системы контроля и сигнализации. Например, система обеспечения заданного теплового режима в помещении в зависимости от температуры наружного воздуха.

 

Обратная связь бывает жесткой и гибкой. Если в обратную связь не включены ни какие динамические элементы системы, то такая связь называется жесткой. Главная обратная связь всегда жесткая.

Если обратная связь подает на вход системы не сам сигнал, а например его интеграл или производную сигнала (при включении в обратную связь соответствующих преобразователей), то такая связь называется гибкой.

 

Для примера построим функциональную схему системы автоматического управления (регулирования) температуры в агрегате.

 

УУ

Р

Д

Холодная вода z₁(t)

 

х x_д(t)

 

u(t)

 

у (t)

Теплая вода

x_р(t)

z₂(t)

 

Рис. 24 Принципиальная схема системы

В бак подается холодная вода. Управляемая (регулируемая) величина - температура воды на выходе теплообменника у(t) (регулируется в соответствии с заданной величиной x). Температура подаваемой холодной воды z₁(t) является возмущающим воздействием. Ее изменение приводит к изменению температуры воды в резервуаре, которое постепенно компенсируется дополнительным подогревом - увеличением потока пара – x_р(t). В результате регулируемая температура у(t) возвращается к своему нормальному значению. Органом управления является регулируемый клапан, соединенный с исполнительным механизмом (двигателем Д) через редуктор Р. На исполнительный механизм подается сигнал управляющего устройства u(t). Выработка сигнала управляющего устройства осуществляется на основании сравнения заданной температуры x_з и сигнала датчика температуры х_д(t), установленного на выходном патрубке теплообменника. Температура пара на входе в теплообменник равна z₂(t).

Построим функциональную схему системы управления.

 

Теплообменник

УУ

Датчик

Редуктор

Клапан

Двигатель

z₁ z₂

x ε u х_р

 

х_д (-) y

 

 

Рис. 25. Функциональная схема

 

В более укрупненном виде, двигатель, редуктор, клапан, теплообменник и датчик можно заменить одним блоком – ОУ.

Функциональные схемы бывают достаточно сложными, с многими обратными связями – не обязательно главными, поскольку в одном объекте может управляться несколько параметров. Важно учесть все связи между элементами системы и все возможные возмущающие факторы.

Каждый блок описывается дифференциальным уравнением. Система таких уравнений и есть математическая модель. На основании этой модели строится закон управления, например, зависимость управляемого параметра от какого либо возмущающего воздействия. Оптимизация параметров заключается в решении системы уравнений с заданной целевой функцией. В данном случае целевой функцией может быть следующее уравнение (ошибка управления должна быть минимальной):

.

Решая дифференциальные уравнения можно построить графики изменения каждой величины, как во времени, так и в зависимости от изменения любой другой величины. Например, изменение ошибки от температуры пара, или изменение температуры воды от величины открытия клапана (сейчас мы построим для примера такие графики – в следующей теме, где будем рассматривать режимы работы САУ).

Меняя параметры управляющего устройства можно добиться более качественного управления объектом. Свести ошибку к минимуму, или уменьшить амплитуду переходного процесса, уменьшить время переходного процесса, что особенно важно для жестких систем.

Для сложных систем, например, автопилот самолета, бортовой компьютер перепрограммируют с целью улучшения характеристик управления.

Каждая система имеет свою схему, например, система сигнализации, имеет схему без обратной связи. И тем не менее можно заметить, что в общем виде функциональная схема не отражает физическую сущность элементов системы. А это означает, что мы можем получить общие правила построения систем.