Тенденции усложнения объектов и проблем управления

Широкое использование автоматики во всех областях практической деятельности, наблюдаемое в настоящее время, четко выраженная тенденция к усложнению, как самих объектов, так и задач автоматизации привели к бурному развитию науки об управлении. Переход к более производительным технологическим процессам, применение более совершенных машин и аппаратов, стремление довести до максимума эффективность использования производственных агрегатов, увеличить производительность, улучшить качество продукции, обеспечить экономию электроэнергии и ценного сырья и т. п. заставляют искать новые принципы управления, создавать новые типы систем.

Несмотря на большое разнообразие динамических свойств объектов, и процессов, подлежащих автоматизации, а также требований к системам автоматического регулирования, можно выделить две основные задачи управления: во-первых, поддержание одной или нескольких регулируемых величин на требуемом уровне - задача стабилизации и, во-вторых, изменение регулируемых величин в соответствии с заданными законами - задача слежения. В дальнейшем будем рассматривать только проблемы, связанные с построением систем стабилизации и слежения. Задачи стабилизации и слежения повседневно встречаются в практике автоматического управления. Так, например, в системах электроснабжения требуется поддерживать с высокой степенью точности заданное напряжение на шинах генератора, т. е. решать задачу стабилизации. Примером следящей системы может служить система наведения самолета на цель, когда пространственные координаты самолета должны непрерывно меняться в зависимости от взаимного положения самолета и цели.

Создание высококачественных систем стабилизации и слежения значительно затрудняется, если на объект регулирования действуют заранее непредсказуемые и неконтролируемые возмущения. Так, в системе стабилизации напряжения таким возмущением является изменение нагрузки генератора, а в случае системы наведения самолета - различные ветровые возмущения. Эти возмущения вызывают отклонение регулируемых координат от требуемых значений, и если их не учитывать при проектировании регуляторов, то они могут стать причиной неудовлетворительной работы системы управления. Значительные трудности встречаются также при разработке систем стабилизации и слежения в случае, когда характеристики объекта существенно изменяются в процессе работы и от изделия к изделию. Действительно, пусть регулятор обеспечивает нормальное функционирование системы при определенных характеристиках объекта. Однако при их изменении работа системы может ухудшиться, и величина отклонения регулируемой координаты от требуемого уровня окажется недопустимой. Такие же последствия в ряде случаев могут иметь место, если не учитывать взаимного влияния между отдельными контурами в сложных системах и пренебрегать наличием элементов с запаздыванием, существенно нелинейных элементов и т. п. Этот далеко не полный перечень проблем, возникающих при создании, системы стабилизации и слежения, показывает, с какими сложностями приходится сталкиваться её проектировщику.

В настоящее время хорошо разработаны теория и принципы построения линейных систем, обеспечивающих высококачественное управление объектом в сложных условиях работы.

Рассмотрим коротко существующие способы построения автоматических систем, предназначенных для решения задач стабилизации и слежения, и выявим особенности их применения. Как известно, при создании системы регулирования основным вопросом является вопрос выбора элементов системы, связей между ними, источников информации и т. п., т. е., другими словами, вопрос рационального выбора структуры системы.[3] Следует сказать, что структурный подход к синтезу систем во многих случаях оказывается весьма плодотворным, так как он позволяет достаточно наглядно выявить вид управляющих воздействий, необходимость введения различных обратных, опережающих или перекрестных связей, вскрыть физическую природу явлений, лежащих в основе того или иного способа построения системы регулирования. Что же такое структура системы автоматического регулирования?

Структурой системы автоматического регулирования будем называть совокупность определенным образом связанных функциональных элементов системы. Функциональные элементы осуществляют необходимые преобразования информации; под связями будем понимать каналы передачи информации. Говоря, что система автоматического регулирования обладает той или иной структурой, будем предполагать, что система содержит те или иные элементы, связанные тем или иным образом.

Следует отметить, что существует значительное число задач, в которых помимо требований, предъявляемых к характеру изменения регулируемой величины, выдвигается ряд требований к поведению других координат системы. Зачастую при выборе средств управления эти требования оказываются решающими. Так, например, с точки зрения прочности конструкции величина перегрузки летательного аппарата не должна превосходить некоторой фиксированной величины. Другим примером может служить система стабилизации температуры термохимического процесса, в которой расход воздуха влияет не только на изменение температуры, но и на качество выпускаемой продукции. Для этого процесса перемещение регулирующего органа не должно превосходить его установившегося значения. Для того чтобы удовлетворить этим дополнительным требованиям при использовании линейных регуляторов, приходится в ряде случаев идти на ухудшение динамических показателей переходного процесса по регулируемой координате.

Рассмотренные проблемы, связанные с применением линейных регуляторов, позволяют наметить основной круг задач, для решения которых приходится обращаться к поискам новых методов управления в классе нелинейных систем автоматического регулирования. Перечислим эти задачи.

Основная идея выбора управляющего воздействия для случая свободного движения линейного объекта с постоянными параметрами заключается в том, чтобы соответствующим образом видоизменить характеристическое уравнение неизменяемой части системы, добиваясь требуемого расположения корней в левой части комплексной плоскости. Это зачастую сводится к организации больших уровней воздействий как по сигналу ошибки, так и по его производным, подаваемых на вход исполнительного устройства. В связи с этим возникает задача построения такой системы, в которой увеличение коэффициента воздействия только по координате ошибки не приводит к потере устойчивости.

Высококачественное управление нестационарными объектами с помощью линейных регуляторов в условиях непрерывно действующих возмущений оказывается весьма затруднительным, если не предоставляется возможности для измерения меняющихся параметров объекта и внешних возмущений. В связи с этим возникает задача построения такой системы, в которой при конечных коэффициентах воздействия по различным ее координатам удается обеспечить воспроизводимость регулируемой величиной задающего воздействия без использования информации о возмущениях и меняющихся в широком диапазоне параметрах объекта.

Обеспечение желаемого характера процесса управления и связей, в том числе и автономности, в многомерных системах, как правило, затрудняется отсутствием информации об операторах перекрестных связей. Одной из важнейших задач этой области регулирования является задача построения системы, в которой при отсутствии указанной информации с помощью конечных коэффициентов воздействия достигается желаемая зависимость между различными регулируемыми координатами системы.

Для систем управления объектами с чистым запаздыванием возникает задача выбора такого управляющего устройства, которое позволит существенно повысить коэффициент воздействия по координате ошибки по сравнению с линейной системой, использующей ту же информацию.

При управлении нелинейными объектами наибольший интерес представляет задача отыскания такой структуры, которая обеспечивает достаточно широкую область устойчивости по начальным условиям вблизи точки, соответствующей наиболее производительному режиму.

Для ряда производственных процессов особое значение приобретает задача построения системы регулирования, в которой помимо выполнения требований к качеству переходного процесса какая-либо координата не должна превосходить или некоторого фиксированного значения, или своего установившегося значения. Все перечисленные проблемы касались непосредственно задач управления. Однако при реализации различных алгоритмов возникает самостоятельная задача получения информации о состоянии управляемого процесса, которая в большинстве случаев усложняется присутствием заранее неизвестных помех в различных каналах системы.

Все перечисленные задачи являются в настоящее время весьма актуальными, так как они все чаще и чаще возникают при автоматизации различных областей практической деятельности. Поэтому их успешное разрешение с помощью простых и надежных технических средств, становится одной из центральных задач теории и практики автоматического управления.