Синтез систем автоматического регулирования и управления - это процесс проектирования таких систем, которые обеспечивают желаемое поведение объекта управления при воздействии на него управляющего сигнала.
Под синтезом понимают определение структуры системы автоматического управления (САУ) и значений ее элементов, обеспечивающих выполнение заданных требований: статической точности, устойчивости, качества работы САУ.
Каждое последующее требование является и более общим и более сложным, причем его выполнение возможно, если все предыдущие требования выполнены (например, к обеспечению устойчивости системы автоматического регулирования (САР) приступают после реализации требуемых значений параметров статики: степени неравномерности, нечувствительности и др.).
Итак, синтез включает в себя выбор структуры, закона управления, параметров и элементов системы, а также проверку ее качественных и количественных характеристик.
При определении желаемых характерных САУ (передаточной, импульсной, переходной функции или частотных характеристик) наряду с учетом критерия оптимальности (быстродействие, интегральный квадратичный критерий и др.) или заданных показателей качества (установившаяся ошибка, перерегулирование, время переходного процесса), а также априорных сведений о задающем и возмущающем воздействиях должны приниматься во внимание ограничения, налагаемые свойствами объекта, неизменяемой частью системы (ограниченная мощность, допустимые перегрузки и т. д.), условиями технической осуществимости.
Условно можно выделить три этапа выполнения задачи синтеза САУ.
На первом этапе определяются оптимальные характеристики САР с учетом ограничений (они, как правило, не могут быть точно реализованы, и их следует рассматривать как предел, к которому следует стремиться).
Второй этап состоит в рациональной аппроксимации оптимальных характеристик желаемыми, обеспечивающими простоту и надежность реализации с одновременной максимальной близостью к условиям оптимальности. (Иногда задача синтеза сужается и сводится для заданной структуры к определению корректирующих устройств).
Завершающим третьим этапом является анализ полученной САР для проверки расчетным или экспериментальным путем (например, с помощью электронной модели), удовлетворяет ли система, предъявляемым требованиям.
Синтез САР часто выполняют при условии предварительного задания части структуры системы и параметров ряда элементов (на основании типовых решений, традиции и т. п.). При этом, как правило, известны сам регулируемый объект, его математическая модель (дифференциальное уравнение), требуемая точность поддержания значения регулируемой координаты при установившихся режимах, что в определенной мере может обусловить структуру регулятора.
Так, если требование к САР допускает достаточно большой положительный статизм, то возможен наиболее простой регулятор прямого действия. Но он не подойдет, если требуются большие перестановочные перемещения (это потребует значительных габаритов измерителя-преобразователя) — здесь нужен регулятор непрямого действия с жесткой обратной связью.
При требованиях к САР нулевого статизма (нулевая степень неравномерности) следует использовать автоматический регулятор с изодромной ОС.
Таким образом, анализ объекта управления, условий работы регулятора и требований, предъявляемых к регулятору в процессе его работы, во многих случаях позволяет выбрать тип регулятора (его структуру), записать его дифференциальное уравнение, подобрать корректирующие звенья. После этого остается определить лишь часть параметров.
Рассмотрим возможности различных способов коррекции, используемых при синтезе САР.
Для улучшения динамических свойств систем применяются различные виды внутренних ОС (жестких, гибких), которые могут быть включены как параллельно, так и последовательно.
При параллельном включении жесткой ОС последняя постоянно подает на вход охваченного ей звена величину, значение которой пропорционально выходной величине.
Эффективность ОС зависит от типа охватываемых звеньев.
При охвате интегрирующего звена положительной жесткой ОС последнее превращается в неустойчивое звено. Охват жесткой отрицательной ОС двух интегрирующих звеньев эффекта стабилизации не дает, и система остается неустойчивой.
Такая же связь, охватывая апериодическое звено, позволяет уменьшить его постоянную времени, но при этом уменьшается коэффициент усиления. Положительная связь оказывает обратный эффект на апериодическое звено.
Таким образом, жесткая ОС позволяет стабилизировать систему и улучшить переходный процесс, но ее действие сказывается не только на переходном, но и в установившемся режиме.
Уменьшение при этом коэффициента усиления приводит к снижению статической точности.
Гибкие ОС, также применяемые для целей стабилизации, действуют лишь в переходном режиме. Гибкая ОС может подать на вход охваченного ею звена сигнал, пропорциональный скорости, ускорению или интегралу изменения выходной величины. Влияние гибких параллельных корректирующих звеньев можно проследить на АЧХ системы.
Для стабилизации применяются также последовательные корректирующие звенья, осуществляющие воздействия по 1, 2-й производным, интегралу, и более сложные звенья.
Их действие можно было бы также проследить по АЧХ, которые для линейных систем имеют математическую связь с переходным процессом.
Однако эта связь достаточно сложна и поэтому затрудняет выбор параметров корректирующих звеньев таким методом.
Процесс становится особенно трудоемким для систем, описываемых сложными дифференциальными уравнениями.
Решать задачу синтеза (подбор корректирующих звеньев) удобно методом логарифмических амплитудно-фазочастотных характеристик.
Для получения корректирующего устройства, обеспечивающего заданный характер переходного процесса минимально фазовой системы, используют логарифмическую АЧХ.
Смотрите также: Применение ПИД-регулятора в системах автоматики на примере ТРМ148 ОВЕН