Елемент, що управляє; 6 - задатчик; 7 – виконавчий механізм.

 

У найпростішому випадку (Рис. 12а) управління ТП здійснюється оператором 3, який на підставі свого досвіду і орієнтуючись за свідченнями контрольно-вимірювальних приладів 2 оцінює хід процесу по вихідним параметрам Y(t) і приймає заходи, дії X(t) з метою усунення впливу зовнішніх збурень X_В(t), що діють на об'єкт управління. Природно, результати ТП в цьому випадку залежать від кваліфікації і сумлінності оператора.

Структурні схеми автоматичних СУ представляють у вигляді ланцюжка елементів, кожен з яких схильний до дії одного або декількох вхідних дій, внаслідок чого змінюються вихідні параметри цього елементу.

Зазвичай елементи володіють детектуючими властивостями, коли вихідні величини не впливають на вхідні. Але можливі також випадки, коли вихідні параметри впливають на вхідні. Це має місце у тому випадку, коли елемент охоплений зворотним зв'язком.

Структурні схеми автоматичних СУ (Рис. 12б) в простому випадку включають два елементи: об'єкт управління 1 (спільно з регулюючим органом 4) і пристрій УУ, що управляє (на рисунку обведено пунктиром). У схему УУ входять вимірювальний перетворювач (датчик) 2, що вимірює регульовану величину і що перетворює її в певний сигнал певної фізичної природи (електричної, механічної і ін.); задатчик 6; елемент, що управляє 5, що підсилює і перетворює відхилення керованої величини Y(t) від заданого значення У_О відповідно до закладеного в нього алгоритму; виконавчий механізм 7, що виконує команду елементу, що управляє, 5 по зміні положення регулюючого органу 4, здійснює управління витратою речовини або енергії в ОУ.

На вхід елементу (регулятора), що управляє, 5, подається сигнал, за значенням рівний різниці ε(t) поточного значення керованої величини і її заданого значення. Керована величина Y(t) знаходиться під дією одного або декількох збурюючих дій Х (t), частина яких може контролюватися.

Класифікація автоматичних СУ можлива по різних ознаках, наприклад так, як це показано на рисунку 13.

 

Рис. 13. Класифікація систем автоматичного управління (САУ).

 

Перша з ознак — призначення інформації, відповідно до якого автоматичні СУ ділять на замкнуті і розімкнені.

Замкнуті системи використовують поточну інформацію про вихідні величини, визначають відхилення керованої величини Y(t) від її заданого значення Y_О і приймають дії до зменшення або повного виключення відхилень. Простим прикладом замкнутої системи, названою системою регулювання по відхиленню, служить показана на рисунку 14а система стабілізації рівня води в баку. Система складається з вимірювального перетворювача (датчика) 2 рівні, пристрою 1 управління (регулятора) і виконавчого механізму 3, керівника положенням регулюючого органу (клапана) 5.

Ознака замкнутої системи, що діє на відхилення регульованої величини, — зворотний зв'язок з виходу ОУ на його вхід. Замкнуті системи цього типу компенсують будь-які збурення, оскільки регулятор контролює тільки відхилення регульованої величини незалежно від причини, що його викликала. Вони не можуть забезпечити рівність вихідної величини Y(t) заданому значенню Y_О продовж всього часу t управління, оскільки їх принцип роботи пов'язаний з наявністю відхилення (Y(t) – Y_О).

Розімкнені автоматичні СУ діляться на системи з жорсткою програмою і з управлінням по збуренню. Приклад систем першого типу — система автоматичного пуску і зупинки комплексу машин, що входять в технологічну лінію, в якій повинна витримуватися певна послідовність (програма) роботи окремих механізмів, при цьому зворотній зв’язок (ЗЗ) з виходу об'єкту на його вхід відсутній.

У розімкнених автоматичних СУ, що діють по збуренню, управління здійснюється на підставі інформації про вхідні дії (що збурюють). У показаній на рисунку 14б системі таким збуренням є зміна тиску води в подаючому трубопроводі.

 

Рис. 14. Функціональні схеми автоматичних СУ з управлінням по відхиленню (а), по збуренню (б) і комбіноване управління (в):

1 – регулятор; 2, 4 – вимірювальні перетворювачі; 3 – виконавчий механізм;

5 – регулюючий орган

 

У реальних системах можлива компенсація одного або декількох збурень, що піддаються вимірюванню. Якщо таких збурень декілька, то для компенсації кожного з них необхідний свій контур регулювання. При цьому завжди залишиться частина збурень, зокрема випадкових і неконтрольованих, які можуть викликати відхилення регульованої величини Y(t) від заданої.

Вихід з цього - поєднання обох принципів управління (по збуренню і відхиленню). Таку систему називають комбінованою (рис. 14в), її перевага в порівнянні з системою, що діє по відхиленню, в кращій стабілізації регульованої величини.

Стабілізуючі системи підтримують керовану величину на заданому рівні. Програмні - змінюють керовану величину за заданою програмою. Ті, що стежать - забезпечують вимірювання керованої величини в певному співвідношенні до задаючої дії.

По методу управління автоматичні СУ ділять на ті, що пристосовуються (адаптивні), ті що не пристосовуються до умов роботи ОУ, ті що змінюються.

Автоматичні СУ що пристосовуються, або адаптивні, цілеспрямовано змінюють алгоритми управління або параметри дій, що управляють, для досягнення якнайкращого управління об'єктом. Оскільки в процесі роботи таких систем відбувається зміна їх алгоритмів і (або) структури, то їх називають також самоналагоджувальними. Окремий випадок систем, що пристосовуються, — екстремальні, завдання яких — автоматичний пошук максимуму або мінімуму керованої величини.

Наступна ознака класифікації пов'язана з результатом роботи системи в сталому стані. Відповідно до нього автоматичні СУ ділять на статичні і астатичні.

У статичних системах після закінчення перехідного процесу існує різниця між заданим і сталим значеннями керованої величини, яку називають статичною помилкою. Статична помилка — неодмінна ознака таких систем, причому величина її залежить як від величини збурення, так і від параметрів налаштування регулятора.

У астатичних системах керована величина після закінчення перехідного процесу рівна заданому значенню. Можливе відхилення (помилка управління), властиве реальним системам автоматики, обумовлене недосконалістю її елементів.

По характеру зміни дій, що управляють, в часі автоматичні СУ ділять на безперервні і приривчасті, або дискретні.

У безперервних системах керована величина і дія, що управляє — безперервні функції часу.

Приривчасті автоматичні СУ поділяють на релейні, імпульсні і цифрові.

У релейних (позиційних) системах один з елементів, звичайно це пристрій (УУ), що управляє, має істотно нелінійну (релейну) характеристику, відповідно до якої дія, що управляє, змінюється стрибкоподібно при певному значенні керованої величини. Така, наприклад, система управління водонагрівачем, в якій регулятор температури включає електронагрівач при зниженні температури води до визначуваного налаштуванням регулятора значення.

Імпульсні автоматичні СУ мають в своєму складі ланку, що перетворює керовану величину в дискретну імпульсну. При цьому керованій величині пропорційна амплітуда або тривалість імпульсів.

У цифрових системах формування дій, що управляють, здійснюється цифровими обчислювальними пристроями, які оперують не з безперервними сигналами, а з дискретними числовими послідовностями.

Наступна ознака класифікації — число керованих величин. Відповідно до цієї ознаки автоматичні СУ ділять на одновимірні і багатовимірні. Одновимірні мають по одній вхідній і вихідній величині, а багатовимірні — по декілька.

По вигляду диференціального рівняння автоматичні СУ поділяють на лінійні і нелінійні. До лінійних відносять системи, поведінка яких описується лінійними диференціальними рівняннями. Оскільки систем, абсолютно точно описуваних лінійними диференційними рівняннями, практично не існує, сюди відносять також лінеаризовані системи, що описуються лінійними диференційними рівняннями приблизно, при деяких допущеннях і обмеженнях. До нелінійних відносять системи, поведінка яких описується нелінійними диференціальними рівняннями, причому в системі досить мати всього один нелінійний елемент, щоб вся вона стала нелінійною.

 

Питання та завдання для самоконтролю.

 

1. З яких елементів може складатися структурна схема систем ручного і автоматичного управління?

2. Чим відрізняється замкнута СУ від розімкнутої?

3. Дайте класифікацію АСУ.

4. За методом управління, які є автоматичні СУ?

5. Чи є різниця між лінійними і не лінійними АСУ?

Загальні відомості про системи телемеханіки та апаратні засоби збору та передачі інформації (ТМ та АПД).

В наш час існує велика кількість різних по виконанню САУ. Є такі, в яких всі елементи просторово зосереджені, тобто відстань між ними істотного впливу на роботу системи не має. Таку систему можна розділити лише по функціональним ознакам.

Але є і такі, коли УП (управляючий пристрій) і ОУ (об’єкт управління) розташовані достатньо далеко один від одного. Наприклад, в АСУ відстань між пунктом управління (ПУ), де зосереджена апаратура управління, і контрольованим пунктом (КП), де розміщені ОУ, може складати від десятків метрів до десятків кілометрів і більше, а в космічних системах телекерування ця відстань досягає мільярдів кілометрів.

У цих випадках навколишнє фізичне середовище впливає на сигнали, що передаються між ПУ і КП. Для того, щоб понизити вплив перешкод до допустимого рівня і забезпечити працездатність таких систем, необхідно погоджувати параметри передаваних сигналів з параметрами середовища, по якому вони розповсюджуються. З цією метою передавані сигнали піддають спеціальним перетворенням.

Область науки і техніки, що охоплює теорію і технічні засоби контролю і управління об'єктами на відстані із застосуванням спеціальних перетворень сигналів, називається - телемеханікою.

Для здійснення таких перетворень використовують спеціальні передавальні і приймальні пристрої. Сукупність пристроїв прийому - передачі і фізичного середовища, що забезпечує матеріальне з'єднання ПУ (пункт управління) і КП (контролюючий пункт) між собою, утворює лінію зв'язку. Таким чином, принципова особливість систем телемеханіки полягає у наявності лінії зв'язку. Роль лінії зв'язку настільки важлива, що її параметри є визначаючими для параметрів всієї телемеханічної системи: її точності, швидкодії, дальності дії, надійності і вартості. (Рис. 15).

 

Рис. 15. Структурна схема телемеханічної системи.

 

Джерелами передаваної по лінії зв'язку інформації на КП можуть бути різні датчики, машинні носії інформації (перфоносії, магнітні носії), передаючі телевізійні трубки, різні пристрої ручного введення (кнопки, клавіатури), периферійні ЕОМ, а на ПУ - пристрої ручного введення на пульті, з якого здійснюється управління, центральна ЕОМ і машинні носії.

Одержувачами інформації на КП можуть бути різні виконавчі пристрої, периферійні ЕОМ і машинні носії, а на ПУ - пристрої індикації різного роду на пульті управління, центральна ЕОМ і машинні носії.

Системи телемеханіки забезпечують управління з одного ПУ великим числом КП, розташованих різним чином і на різних відстанях. Відповідно видозмінюються і сполучаючі їх лінії зв'язку. Залежно від взаємного розташування ПУ і КП розрізняють лінії зв'язку: радіальні, ланцюгові і деревоподібної структури.

Сучасні телемеханічні системи забезпечують взаємодію в межах однієї великої системи багатьох сотень і навіть тисяч ПУ і КП. В цьому випадку доводиться говорити вже не про окремі лінії зв'язку, сполучаючих ПУ зі своїми КП, а про мережі зв'язку. Оптимізація структури таких мереж зв'язку за часом передачі сигналів, надійності, вартості і іншим параметрам є досить складною задачею.

У великих телемеханічних системах виникає задача передачі сигналів між певною парою ПУ і КП, тобто від конкретного джерела до конкретного одержувача інформації. Сукупність технічних засобів, що забезпечують незалежну передачу сигналів між одним ПУ і одним КП, називається каналом зв'язку. Таким чином, канал включає лінію (або мережу) зв'язку і апаратуру, що забезпечує зв'язок.

Також існують однорівневі, або одноступінчасті, системи, в якій всі КП безпосередньо пов'язано з ПУ. Але ускладнення телемеханічних систем, зростання об'ємів передаваної і опрацьованої інформації призводять до того, що часто ефективнішими виявляються багаторівневі системи, побудовані за ієрархічним принципом. У ієрархічних системах інформація відбирається, частково обробляється і узагальнюється на кожному проміжному рівні при передачі її від КП до ПУ і, навпаки, конкретизується і уточнюється на кожному рівні при передачі від ПУ до КП. При цьому в сучасних телемеханічних системах кожен КП сам є досить складною місцевою системою централізованого контролю. Ієрархічний принцип побудови широко використовується в АСУ.

 

 

Рис. 16. Лінії зв’язку (а) – радіальна; (б) – ланцюгова; (в) – деревоподібна.

Рис. 17. Системи телемеханіки (а) – трирівнева; (б) – однорівнева.

 

Залежно від виконуваних функцій телемеханічні системи прийнято ділити на системи: телевимірювання, телесигналізації, телекерування і телерегулювання.

З адачею систем телевимірювання (ТВ), або телеметрії, є передача від КП до ПУ інформації про значення будь-яких параметрів контрольованого об'єкту (наприклад, швидкості перекачування нафти в системі АСУ нафтопроводу або температури у відсіках космічного корабля в системі космічної телеметрії). Системи ТВ прийнято ділити на системи телевимірювання поточних параметрів і системи телевимірювання інтегральних параметрів (наприклад, витрата пального або електроенергії за певний проміжок часу). Вимірюваний параметр в системах ТВ в загальному випадку має безперервний ряд значень. Отже, від КП до ПУ по лінії зв'язку необхідно передавати інформацію про значення аналогових величин.

Системи телесигнализації (ТС) служать для отримання за допомогою пристроїв телемеханіки інформації про дискретні стани контрольованих об'єктів (наприклад, включений або вимкнений виконавчий двигун, і т. д.).

Задачею систем телекерування (ТК) є передача від ПУ до КП управляючих дій - команд. У системах ТК можуть передаватися як прості двохпозиційні команди (типа «включити - вимкнути»), так і багатопозиційні (наприклад, «повернути антену станції радіолокації на певний кут» або «включити двигуни космічного корабля на заданий час»). Пункти управління систем ТК можуть видавати команди як безпосередньо на виконавчі органи контрольованих об'єктів, так і записувати їх в пристрої, що запам'ятовують, для подальшого виконання.

У багатьох випадках на КП є місцеві САУ, підтримуючі необхідний режим роботи контрольованого об'єкту (наприклад, кут повороту керма, необхідний тиск або температуру і ін.). При цьому з ПУ епізодично передаються лише задані значення керованих параметрів - так звані вставки, а в решту часу місцеві САУ працюють автономно. Така функція систем телемеханіки називається телерегулюванням (ТР).

В даний час не застосовуються системи телемеханіки, що виконують будь-яку одну з перерахованих функцій: ТВ, ТС, ТК або ТР. Практично всі сучасні телемеханічні системи є багатофункціональними, або комплексними, системами. Так, наприклад, на підставі вимірювання параметрів орієнтації космічного корабля за системою ТВ пункт управління видає команди на двигуни орієнтації по системі ТК; виконання цих команд контролюється за системою ТС. Для реалізації всіх цих функцій використовується загальне устаткування, тобто одна система виконує функції ТВ – ТК – ТС.

Незалежно від конкретних виконуваних функцій всі телемеханічні системи є системами передачі інформації, головна задача яких - передати інформацію на необхідну відстань з мінімальними витратами (часто і за мінімальний час). У цьому плані системи телемеханіки все тісніше перетинаються з інформаційними системами передачі даних (СПД).

Специфічними особливостями систем телемеханіки в порівнянні із СПД залишаються менший об'єм передаваної інформації, але значно вищі вимоги до її достовірності. Так, в системах ТК вірогідність виникнення помилкової команди не повинна перевищувати , а в системах ТВ потрібна точність до .

Тенденціями розвитку систем телемеханіки є розширення можливостей системи по управлінню контрольованими об'єктами, збільшення числа ПУ і КП, зростання об'ємів передаваної інформації разом з підвищенням вимог до надійності і точності систем. Для вирішення цих задач все більш широке застосування в системах телемеханіки знаходять ЕОМ різних класів і продуктивності. Як ПУ використовують універсальні ЕОМ з відповідними приймально-передаючими пристроями, пультами управління і пристроями індикації. Застосування вбудованих мікропроцесорів і мікро-ЕОМ на КП дозволяє виконувати попередню обробку і відбір інформації, що підвищує оперативність і гнучкість управління і розвантажує канали зв'язку.

Широке впровадження ЕОМ призводить до того, що, як і в САУ, задачею телемеханіки стає не розробка відповідної апаратури, а пошук алгоритмів оптимального управління об'єктами.

Лінії зв’язку.

У системах передачі інформації і в системах телемеханіки зокрема основним елементом є лінія зв'язку. Саме в лінії зв'язку передаваний сигнал піддається найбільшим спотворенням за рахунок дії природних (а іноді і штучно створених) перешкод або шумів від різних джерел.

Рівень шумів в лінії зв'язку прийнято характеризувати відношенням потужності сигналу до потужності шуму: (у децибелах).

Звичайно на виході ліній зв'язку це відношення складає 20 - 30 дБ.

По степені проходження по лінії зв'язку, потужність сигналу за рахунок активних втрат зменшується, тобто лінія зв'язку вносить певне загасання. Загасання чисельно означає, в скільки разів зменшується потужність сигналу при його проходженні по лінії зв'язку певної відстані.

Для вимірювання загасання використовують логарифмічну одиницю відношення - непер (Нп). Загасання 1 Нп/км означає, що потужність сигналу при проходженні 1 км зменшується в е = 2,72 разів. Чим менше загасання лінії зв'язку, тим на більшу відстань можна передати по ній сигнал без додаткового підсилення, тобто тим більша дальність дії лінії зв’язку.

Як рівень шумів, так і загасання лінії зв'язку не однакові на різних частотах. Тому для передачі сигналів вибирають такі діапазони частот, на яких потужність шумів і загасання лінії зв'язку мають мінімальні значення. Діапазон частот, в якому забезпечується передача сигналів при заданому рівні шумів і загасанні, називається смугою пропускання () лінії зв'язку.

В основному лінія зв'язку характеризується інформаційними параметрами і перш за все пропускною спроможністю.

Під пропускною спроможністю розуміють ту максимальну кількість інформації, яку можна передати по лінії зв'язку в одиницю часу без помилок. По формулі Шеннона пропускна спроможність обчислюється:

.

Таким чином, для збільшення пропускної спроможності лінії зв'язку необхідно розширювати смугу пропускання (), збільшувати потужність сигналу Р_с і знижувати потужність шуму Р_ш.