Классификация систем автоматического управления

Совокупность автоматического управляющего устройства и объекта управления, связанных и взаимодействующих между собой в соответствии с алгоритмом управления, называют системой автоматического управления (САУ).

Системы автоматического управления используются для облегчения производственных задач и снижения связанных с этим затрат на постоянный контроль, который требует наблюдения изменений переменной во время производственных процессов, которые становятся все более сложными.

Системы управления в большом количестве используются во всех отраслях промышленности, таких как контроль качества производимой продукции, автоматические сборочные линии, управление станками и инструментами, космическая техника, системы сигнализации, транспортные системы, управление компьютерами, робототехника, управление запасами и многое другое.

Важность внедрения систем автоматического управления заключается в том, что они позволяют снизить затраты, связанные с производством товаров и услуг. Они также улучшают качество и объемы производства на промышленных предприятиях, экономя время и оптимизируя управление процессами.

Классифицировать системы автоматического управления можно по методу управления и функциональному признаку. По методу управления все системы делятся на два больших класса: обыкновенные (несамонастраивающиеся) и самонастраивающиеся (адаптивные).

Обыкновенные системы, относящиеся к категории простых, не изменяют своей структуры в процессе управления. Они наиболее разработаны и широко применяются в литейных и термических цехах. Обыкновенные системы автоматического управления подразделяют на три подкласса: разомкнутые, замкнутые и комбинированные системы управления.

Разомкнутые системы автоматического управления в свою очередь делят на системы автоматического жесткого управления (САЖУ) и системы управления по возмущению.

У первых систем регулятор воздействует на объект управления независимо от полученного результата, т. е. значения регулируемой величины и внешнего возмущения. Системы управления по возмущению работают по принципу, когда управляющее воздействие вырабатывается в зависимости от внешнего возмущения, оказывающего влияние на объект управления.

В качестве примера можно рассмотреть систему отопления литейного или термического цеха. В этом случае расход горячей воды в теплотрассе цеха зависит от внешних погодных условий. Чем холоднее на улице, тем больше подается горячей воды в батареи отопления, и наоборот.

Замкнутые системы автоматического управления, работающие по принципу отклонения, называют также системами автоматического регулирования (САР). Их отличительной чертой является наличие замкнутого контура прохождения сигналов, т. е. наличие обратного канала, по которому информация о состоянии регулируемой величины передается на вход элемента сравнения.

Системы автоматического регулирования предназначены для решения трех задач: стабилизации регулируемой величины (стабилизирующая САР), изменения регулируемой величины по известной (программная САР) или неизвестной (следящая САР) программам.

В стабилизирующих САР заданное значение регулируемой величины постоянно. Примером такой системы может служить система регулирования температуры в рабочем пространстве термической печи. В программных САР значение регулируемой величины изменяется во времени по заранее разработанной (известной) программе.

В следящих системах заданное значение регулируемой величины изменяется во времени по заранее неизвестной программе. Следящие и программные САР отличаются от стабилизирующих принципом обработки задающего сигнала.

Наиболее типичным примером следящего регулирования является автоматическое поддержание заданного соотношения между расходами топлива и воздуха при регулировании процесса горения в топливных плавильных и нагревательных печах.

Системы автоматического управления: а — разомкнутая, б — разомкнутая по отклонению, в — замкнутая, г — комбинированная, д — самонастраивающаяся, Р — регулятор, ОУ — объект управления, ЭС — элемент сравнения, УАВ — устройство анализа задающего воздействия: ВУ — вычислительное устройство, ИУ — исполнительное устройство, АУУ — автоматическое управляющее устройство, УАО — устройство анализа объекта управления.

Обратная связь - это повторная вставка данных в систему для корректировки переменной. Его основной эффект заключается в уменьшении ошибки между опорным входом и выходом системы, чтобы получить желаемое значение контролируемой переменной. Можно сказать, что обратная связь - это замкнутая последовательность причинно-следственных связей.

Комбинированные системы сочетают в себе достоинства систем управления по отклонению и по возмущению, что повышает точность управления. Действие неучтенных возмущений в комбинированных системах компенсируется или ослабляется управлением по отклонению.

Самонастраивающиеся (адаптивные) системы можно разделить на три подкласса: экстремальные системы, системы с самонастройкой параметров и системы с самонастройкой структуры.

Системами экстремального регулирования называют системы стабилизирующего, следящего или программного управления, у которых настройка, программа или закон воспроизведения автоматически изменяются в зависимости от изменения внешних условий или внутреннего состояния системы с целью создания наивыгоднейшего (оптимального) режима работы объекта управления.

В таких системах вместо постоянной настройки или программы устанавливается устройство автоматического поиска, которое проводит анализ какой-либо характеристики объекта (коэффициента полезного действия, производительности, экономичности и т. п.) и в зависимости от полученного результата подает в управляющее устройство требуемое значение регулируемой величины так, чтобы данная характеристика получила экстремальное значение при непрерывном изменении различных возмущающих воздействий, оказывающих влияние на условия работы системы.

В системах с самонастройкой параметров при изменении внешних условий или характеристик объекта регулирования происходит автоматическое (не по заранее заданной программе) изменение варьируемых параметров управляющего устройства с целью обеспечения устойчивой работы системы и поддержания регулируемой величины на заданном или оптимальном уровне.

В системах с самонастройкой структуры при изменении внешних условий и характеристик объекта управления происходит переключение элементов в схеме соединений или введение в нее новых элементов. Целью таких изменений (отбора) структуры является достижение лучшего решения задачи управления.

Отбор структуры осуществляется путем автоматического поиска с применением вычислительных и логических операций. Такие системы должны не только приспосабливаться ко всем изменениям внешних условий и характеристик объекта, но и функционировать нормально даже при наличии неполадок или отказов отдельных элементов, создавая новые цепи взамен нарушенных. Системы с самонастройкой структуры можно заставить самосовершенствоваться, "приобретать опыт" путем быстрого опробования нескольких вариантов, отбора и "запоминания" лучшего из них.

Согласно классификации по функциональному признаку все автоматические системы управления подразделяют на четыре класса:

• системы для координации работы механизмов,

• системы регулирования параметров технологических процессов,

• системы автоматического контроля,

• системы автоматической защиты и блокировки.

Системы автоматического регулирования (САР) технологических процессов обеспечивают поддержание регулируемой величины на заданном уровне или изменение ее по заданной программе.

Системы автоматического контроля (САК) содержат средства и методы для получения информации о текущих значениях параметров технологических процессов (температуры, давления, запыленности или загазованности воздуха и др.) без непосредственного участия человека.

Системы автоматической защиты (САЗ) и блокировки (САБ) предотвращают возникновение, аварийных ситуаций в работе оборудования при установившемся режиме.