Далее ставится усилительно-преобразовательное и исполнительное устройства. Они служат для формирования регулирующего воздействия u(t) на объект, для возможно более точного выполнения задачи регулирования при реально имеющемся возмущающем воздействии f(t).
Автоматический регулятор вместе с регулируемым объектом называется системой автоматического регулирования.
Системы автоматического регулирования, поддерживающие постоянное частности, нулевое значение регулируемой величины, называют также системами стабилизации. Система автоматического регулирования, изменяющая значения регулируемой величины по заранее заданной программе, называется системой программного регулирования.
Регулятор, в котором имеется усилительно-преобразовательное устройство, питаемое извне, от добавочного источника энергии называется регулятором непрямого действия.
В простейших регуляторах, как увидим ниже, усилительно- преобразовательного устройства и привода может и не быть вовсе, т. е. измерительное устройство может непосредственно (без дополнительного источника энергии) воздействовать на регулирующий орган. Такой регулятор называется регулятором прямого действия. Питание регулятора прямого действия энергией идет не извне, а целиком за счет энергии самого регулируемого объекта, подаваемой через измерительное устройство.
Но существуют, наоборот, и более сложные регуляторы. Так, кроме одиночных систем регулирования, о которых здесь идет речь, состоящих из одного регулируемого объекта и одного регулятора, существуют так называемые связанные или многомерные системы регулирования.
Многомерными системами регулирования называются такие, в которых имеется несколько регулируемых величин или в единый автоматически работающий комплекс связаны несколько регуляторов на одном объекте или несколько регуляторов и несколько объектов с перекрестными связями между ними.
Система автоматического управления может решать любую из этих задач: регулирование, стабилизация, слежение, ориентация, наведение, но может решать также и совокупность такого рода задач и иметь различные дополнительные функции. Те же общие принципы используются в разного рода системах автоматического управления.
Большое значение в технике управления имеют системы комбинированного действия с регулированием по возмущению. Все большую роль начинают играть адаптивные системы, т.е. самонастраивающиеся, самооптимизирующиеся и самоорганизующиеся системы, а также системы с переменной структурой.
Для систем автоматического регулирования и для следящих систем (равно как и для всех замкнутых автоматических систем вообще) существуют практически единые методы динамических расчетов.
Большое различие в теорию систем вносят не только функциональные признаки, но и характер внутренних процессов: непрерывный – дискретный (импульсный), линейный – нелинейный и т. п.
Классифицируются автоматические системы по характеру внутренних динамических процессов.
Каждая автоматическая система состоит из целого ряда блоков или звеньев, различно соединенных между собой. Каждое отдельно взятое звено имеет вход и выход. В общем случае звено может иметь несколько входов и выходов. Входная величина Xi и выходная Х2 могут иметь любую физическую природу (ток, напряжение, перемещение, температура, освещенность и т. п.). В процессе работы автоматической системы величины Xi и Х2 изменяются во времени.
Динамика процесса преобразования сигнала в данном звене описывается некоторым уравнением, связывающим выходную переменную Х2 с входной переменной Х\. Совокупность уравнений и характеристик всех звеньев описывает динамику процессов управления или регулирования во всей системе в целом. Существуют различные характеристики звеньев: статические, переходные, частотные и др.
Основными признаками деления автоматических систем на большие классы по характеру внутренних динамических процессов являются следующие:
1. непрерывность или дискретность (прерывистость) динамических процессов во времени;
2. линейность или нелинейность уравнений, описывающих динамику процессов регулирования.
По первому признаку автоматические системы делятся на системы непрерывного действия, системы дискретного действия (импульсные и цифровые) и системы релейного действия.
По второму признаку каждый из указанных классов, кроме релейного, делится на системы линейные и нелинейные. Системы же релейного действия относятся целиком к категории нелинейных систем.
Системой непрерывного действия называется такая система, в каждом из звеньев которой непрерывному изменению входной величины во времени соответствует непрерывное изменение выходной величины. При этом закон изменения выходной величины во времени может быть произвольным, в зависимости от формы изменения входной величины и от вида уравнения динамики (или характеристики) звена.
Чтобы автоматическая система в целом была непрерывной, необходимо, прежде всего, чтобы статические характеристики всех звеньев системы были непрерывными.
Системой дискретного действия называется такая система, в которой хотя бы в одном звене при непрерывном изменении входной величины выходная величина изменяется не непрерывно, а имеет вид отдельных импульсов, появляющихся через некоторые промежутки времени. Звено, преобразующее непрерывный входной сигнал в последовательность импульсов, называется импульсным.
Если последующее звено системы тоже дискретное, то для него не только выходная, но и входная величина будет дискретной (импульсной). К дискретным автоматическим системам относятся системы импульсного регулирования (т. е. системы с импульсным звеном), а также системы с цифровыми вычислительными устройствами.
Эти последние дают результат вычисления на выходе дискретно, через определенные промежутки времени, в виде чисел для отдельных дискретных числовых значений входной величины.
Системой релейного действия называется такая система, в которой хотя бы в одном звене при непрерывном изменении входной величины выходная величина в некоторых точках процесса, зависящих от значения входной величины, изменяется скачком. Такое звено называется релейным звеном. Обратимся теперь ко второму признаку классификации автоматических систем.
Линейной системой называется такая система, динамика всех звеньев которой вполне описывается линейными уравнениями (алгебраическими и дифференциальными или разностными).
Для этого необходимо прежде всего, чтобы статические характеристики всех звеньев системы были линейными, т. е. имели вид прямой линии.
Если динамика всех звеньев системы описывается обыкновенными линейными дифференциальными (и линейными алгебраическими) уравнениями с постоянными коэффициентами, то систему называют обыкновенной линейной системой.
Нелинейной системой называется такая система, в которой хотя бы в одном звене нарушается линейность статической характеристики или же имеет место любое другое нарушение линейности уравнений динамики звена (произведение переменных или их производных, корень, квадрат или более высокая степень переменной, любая другая нелинейная связь переменных и их производных).
Следовательно, к нелинейным системам относятся также и системы с переменными параметрами, с распределенными параметрами, с запаздыванием, импульсные и цифровые системы, если в них где-либо нарушается линейность уравнений динамики (в цифровых системах это связано, в частности, с квантованием сигнала по уровню). К ним же относятся и все системы релейного действия.
При исследовании, расчете и синтезе автоматических систем нужно иметь в виду, что наиболее полно разработаны теория и различные прикладные методы для обыкновенных линейных систем. Поэтому в интересах простоты расчета всегда желательно (там, где это допустимо) сводить задачу к такой форме, чтобы максимально использовать методы исследования обыкновенных линейных систем.
Обычно, уравнения динамики всех звеньев системы стараются привести к обыкновенным линейным, и только для некоторых звеньев, где это недопустимо или где специально вводится особое линейное или нелинейное звено, учитываются эти особые их свойства. Тогда при наличии одного такого звена система при расчете разбивается на два блока, в одном из которых объединяется весь комплекс обыкновенных линейных звеньев.
Однако это вовсе не значит, что при проектировании новых автоматических систем нужно стремиться к обыкновенным линейным системам. Наоборот, уже из приведенных выше определений совершенно очевидно, что обыкновенные линейные системы обладают ограниченными возможностями.
Введение особых линейных и нелинейных звеньев может придать системе лучшие качества. Особенно богатыми возможностями обладают системы со специально вводимыми нелинейностями и дискретные системы, в том числе с цифровыми вычислительными устройствами, а также адаптивные, т.е. самонастраивающиеся, экстремальные, самоорганизующиеся системы.
В настоящее время во многих областях техники существует необозримое количество самых разнообразных систем автоматического управления, использующих принцип следящих систем. Он применяется почти везде, где нужно добиться высокой точности и надежности автоматического управления.
Качество работы любой системы регулирования, в конечном счете, определяется величиной ошибки, равной разности между требуемым и действительным значениями регулируемой величины: x(t) g(t)-y(t). В системах стабилизации при g(t) О ошибка x(t) ^-y(t).
Знание мгновенного значения ошибки в течение всего времени работы регулируемого объекта позволяет наиболее полно судить о свойствах системы регулирования. Однако в действительности, вследствие случайности задающего и возмущающего воздействий, такой подход не может быть реализован. Поэтому приходится оценивать качество системы регулирования по некоторым ее свойствам, проявляющимся при различных типовых воздействиях. Для определения качественных показателей системы регулирования в этом случае используются так называемые критерии качества.