Техника автоматического регулирования

Техника автоматического регулирования

Принцип, по которому построены техника автоматического регулирования, состоит в том, что регулятор изменяет регулирующее воздействие при отклонении регулируемой переменной от заданного значения независимо от причин, вызвавших это отклонение. Таким образом, в зависимости от значения выходного сигнала объекта регулятор изменяет его входной сигнал. Вот о том, из чего состоит техника автоматического регулирования, мы и поговорим в этой статье.

 

Термины и определения

(в соответствии с DIN 19226 [1])

Управление с обратной связью

В технологическом процессе функцией си­стемы управления с обратной связью является поддержание определенного физического параметра (управляемой переменной у) в со­ответствии с заданным значением. Базовая структура системы управленияПри этом значение управляемой переменной непрерывно измеряется и сравнивается с заданным значе­нием (опорной переменной w, например, при установке напряжения генератора в функции степени заряда аккумулятора) (см. рис.1 «Базовая структура системы управления»). В случае отклонения производится соответствующее управление корректирующей переменной и (например, изменение тока возбуждения ге­нератора) таким образом, чтобы управляемая переменная у снова вернулась к заданному значению. Этот процесс имеет место в системе управления с замкнутым контуром (с обратной связью). Отклонения могут возникать под дей­ствием возмущений z (например, включения дополнительных электрических потребителей), воздействующих на управляемую систему и влияющих на управляемую переменную у не­благоприятным образом ([2], [3] и [4]).

Процессы управления с обратной связью осу­ществляются в автомобиле в самых различных системах. В качестве примера можно привести регулирование температуры охлаждающей жидкости двигателя, управление кондиционе­ром и многие другие операции регулирования и управления двигателем (контроль детонации, контроль значения λ), трансмиссией (управле­ние сцеплением) и шасси (контроль рыскания).

Системы управления без обратной связи

Довольно часто используются также системы регулирования и управления без обратной связи (с разомкнутым контуром). В этом случае замкну­тая система управления заменяется на разомкну­тую. Этот процесс возможен только в том случае, если поведение управляемой системы точно из­вестно, и на нее не воздействуют никакие (не под­дающиеся измерению) возмущения z.

Управление с обратной связью является пред­почтительным, поскольку при этом со стабиль­ностью управляемой величины не возникает проблем, связанных с отсутствием обратной связи. Поскольку вышеупомянутые условия на практике имеют место весьма редко, исполь­зование систем с обратной связью в большин­стве случаев является неизбежным.

Комбинация замкнутых (с обратной связью) и разомкнутых (без обратной связи) конту­ров управления

Система регулирования с разомкнутым контуром (с регулированием по входному воздействию и возмущениюНа практике, с целью использования преиму­ществ обеих структур, часто осуществляется комбинирование замкнутых и разомкнутых контуров управления. При этом установленные связи между опорной переменной, возмуще­нием, корректирующей переменной и управляе­мой переменной используются в максимальной степени с целью реализации системы управ­ления с разомкнутым контуром. Отклонения, которые, тем не менее, возникают вследствие изменения параметров или под действием не поддающихся измерению возмущений, кор­ректируются замкнутым контуром управления (см. рис.2 «Система регулирования с разомкнутым контуром (с регулированием по входному воздействию и возмущению»)).

Каскадное управление

 

Система каскадного регулированияЧасто имеют место структуры, в которых управляемая система разделена на две или более подсистем (например, на фактический процесс и соответствующий исполнительный механизм). В соответствии с этим разделением существуют один или более внутренних блоков управления и один внешний блок управления, которые спроектированы и работают раз­дельно. Эта процедура известна под названием каскадного управления (см. рис.3 «Система каскадного регулирования»).

Проектирование блоков управления (кон­троллеров) упрощается за счет разделения задачи управления на несколько поддающихся управлению подзадач. Имеют место дополнительные преимущества в отношении динамической характеристики системы, свя­занные с тем, что возмущения, действующие во внутреннем контуре управления, корректи­руются там до того, как они начинают влиять на внешний контур управления. Это ускоряет весь процесс управления. Кроме того, это по­зволяет линеаризовать нелинейные характери­стические кривые внутреннего контура.

Каскадное управление применяется во многих автомобильных системах регулиро­вания, например, в системах регулирования электрического тока электрогидравлических исполнительных механизмов или в системах позиционирования исполнительных механиз­мов с электроприводом.



Техника автоматического управления, элементы передачи

В отношении рабочих характеристик система управления должна отвечать четырем основ­ным требованиям:

  • система управления должна быть стабиль­ной:
  • система управления должна демонстриро­вать требуемую стационарную точность;
  • реакция на скачкообразное изменение опор­ной переменной должна в достаточной сте­пени демпфироваться:
  • система управления должна обладать доста­точным быстродействием.

Для того чтобы выполнить эти частично про­тиворечащие друг другу требования, сначала необходимо описать статические и динамиче­ские реакции элементов системы управления (самой регулируемой системы и блока управ­ления) с использованием подходящих методов, чтобы иметь возможность проанализировать реакции системы управления и спроектировать блок управления в соответствии с заданными требованиями. Это описание может быть вы­полнено во временном диапазоне (например, при помощи дифференциальных уравнений) или в определенной полосе частот (например, с использованием функции преобразования или диаграммы Боде).

Многие элементы передачи систем управле­ния можно отнести к конкретным базовым ти­пам, или они могут быть описаны посредством их связей (см. табл.1 » Краткие сведения о некоторых важных элементах передачи»).

Краткие сведения о некоторых важных элементах передачи

Задачей синтеза системы управления яв­ляется разработка для данной регулируемой системы соответствующего блока управления (структуры и параметров элемента передачи), который отвечает вышеуказанным требова­ниям. Для этой цели существует ряд процедур (например, динамическая коррекция в диа­грамме Боде, метод корневого годографа, де­тализация полюсов, регулятор Риккати в пространстве состояний [4]), которые индиви­дуально дополняются теми или иными конкретными функциями или шагами проектирования.

Описанная ниже систематизированная про­цедура показала свою полезность на практике.

Разработка задачи управления

 

Задача управления

Как правило, задача управления не формулиру­ется специально как таковая, но должна быть вы­работана на основании требований, предъявляе­мых к конкретному техническому процессу. Это подразумевает определение задач управления с использованием замкнутых и разомкнутых систем с целью решения вопросов, касающихся того, что должно быть достигнуто при помощи функции управления, и с применением каких переменных будет описываться цель управления. В качестве примера можно привести контролируемое пере­ключение передач типа потребность-реакция в автоматической трансмиссии. С помощью этой функции давление переключающей муфты должно быть во время переключения передачи приведено в соответствие с градиентом скорости таким образом, чтобы время проскальзывания оставалось постоянным при любых условиях ра­боты, даже при изменении тех или иных параме­тров (например, коэффициента трения).

Система управления и блок-схемы

С учетом этих рассуждений полезно построить диаграмму системы, в которой будут ясно видны основные взаимодействия между электронными, механическими, гидравлическими и пневмати­ческими элементами и всеми датчиками, испол­нительными механизмами и системами шин. На основании этой диаграммы можно построить блок схему системы управления, на которой, в свою очередь, будут видны взаимодействия всех функций управления с обратной связью и без об­ратной связи с регулируемой системой. Функции описываются в форме заголовков, но пока что детально не формулируются. (рис.4 «Блок-схема системы автоматического управления контролируемым переключением передач типа потребность-реакция в автоматической трансмиссии»)

Блок-схема системы автоматического управления контролируемым переключением передач типа потребность-реакция в автоматической трансмиссии

При помощи этой диаграммы и блок-схемы можно достичь фундаментального системного понимания оперативных связей в системе. Пока система (механическая часть, периферийные устройства, аппаратура и т.д.) находится на стадии разработки, должна предоставляться возможность оказывать влияние на структурное проектирование системы с использованием об­щего мехатронного подхода. В качестве примера можно привести процесс заполнения жидкостью рабочего цилиндра гидропривода выключения сцепления. Система должна быть разработана таким образом, чтобы на основе поперечных се­чений, объемов и уплотнений было обеспечено ее воспроизводимое поведение при как можно меньшем времени запаздывания.

Регулируемая система

Затем выполняется идентификация регули­руемой системы. Это может быть сделано теоретически (посредством моделирования) или практически, например, путем измерения реакции на ступенчатое воздействие или опре­деления частотной характеристики. Рекомен­дуется использовать оба метода и выполнить соответствующую коррекцию. Идентификация системы представляет собой всеобъемлющий процесс, зависящий от поставленной задачи. Иногда бывает достаточно определить только базовый тип и порядок регулируемой системы.

Разработка блока управления

Блок управления (контроллер) разрабатыва­ется на основе результатов идентификации системы — это главная задача проектирования управляющего устройства. Сначала рекомен­дуется проработать его теоретически и с ис­пользованием методов моделирования. На этом этапе следует определить параметры блока управления. Когда этот этап будет в до­статочной степени проработан, следует перейти к испытаниям на реальной регулируемой си­стеме — на стенде или на автомобиле. Обычно в целях достижения дальнейшей оптимизации периодически выполняются рекурсивные шаги.



Критерии проектирования

В дополнение к этой фундаментальной по­следовательности действий следует учитывать следующие дополнительные критерии.

Цифровое (дискретное) управление

Большинство операций управления на авто­мобиле осуществляется с использованием микропроцессоров. В этом случае необходимо надлежащим образом определить время вы­борки, исходя из динамической характеристики системы. При этом необходимо обеспечить условия для того, чтобы все алгоритмы функ­ций могли быть вычислены в течение времени, которое имеется между двумя выборками.

Нелинейность

Во многих случаях простых линейных методов, описанных выше, оказывается недостаточно, поскольку реальные регулируемые системы со­держат нелинейные элементы (например, нели­нейными являются характеристики регуляторов давления, сцепления и т.д.). В простых случаях, связанных со статическими, непрерывными не­линейностями, они могут быть скомпенсированы посредством дополнительного инвертирующего элемента передачи. В случаях операций регули­рования с малыми амплитудами сигнала относи­тельно рабочей точки уравнения, описывающие работу системы могут быть линеаризованы в об­ласти этой точки. В противном случае требуется применение более сложных процедур.

Структурные переключения

Многие операции управления с замкнутым контуром сначала инициируются сигналами в разомкнутом контуре управления (например, сначала следует заполнить привод сцепления гидравлической жидкостью, затем подать пере­ключающее давление, затем запустить после­довательность переключения передачи). В этом случае при переключении с управления с разом­кнутым контуром на управление с замкнутым контуром необходимо обеспечить, чтобы это переключение происходило плавно, и запоми­нающие устройства (интеграторы элементов I) правильно инициализировались.

Робастность

Система управления, как правило, разрабатыва­ется для «номинальной» регулируемой системы. Однако на практике, в связи с наличием допусков изготовления, реальные регулируемые системы демонстрируют отклонения от номинала. Кроме того, в процессе эксплуатации происходит из­менение параметров регулируемой системы, например, вследствие износа диска сцепления или в зависимости от величины других перемен­ных (температуры). Ни в каком из этих случаев не должно иметь место значительное ухудшение качества или стабильности системы управления. Для обеспечения выполнения этих требований существуют процедуры, относящиеся к областям «робастного» или «адаптивного» управления.

Адаптивные блоки управления

 

Мотивация

Поведение регулируемых систем часто бывает непостоянным. Во многих случаях происходит изменение таких параметров, как постоянные времени и коэффициенты усиления. Может из­меняться даже структура системы. Адаптивное регулирование позволяет привести процессы управления с замкнутым и разомкнутым кон­турами в соответствие с изменяющимся пове­дением системы. Примеры:

Допуски изготовления

Не все изделия из одной партии на 100% иден­тичны. Поскольку индивидуальная настройка сложна, система должна автоматически адапти­роваться к различным параметрам (например, см. данные для регулировки автоматической трансмиссии [5]).

Износ

Изменение параметров вследствие износа происходит на воспроизводимом (например, увеличение рабочего хода сцепления) или слу­чайном (например, изменение коэффициента трения дисков) уровне. Адаптация позволяет компенсировать эти изменения (например, адаптация к изменениям рабочего хода для ав­томатических сцеплений, [6]).

Зависимость от третьей переменной (например, температуры)

Вязкость рабочих жидкостей сильно зависит от температуры. Поскольку эти колебания мо­гут иметь краткосрочный характер (например, повторяться каждый день), они должны быть скомпенсированы (например, при управлении блокировочной муфтой гидротрансформа­тора), [7], [8]).

Зависимость от рабочей точки

Нелинейные системы часто линеаризуются в области рабочей точки, а затем управление осуществляется линейным контроллером (по­ведение системы при малой амплитуде сиг­нала). Адаптация дает возможность учитывать различия в поведении системы в области рабо­чей точки (например, адаптация давления при чередующихся переключениях передач, произ­водимых автоматической трансмиссией, [9]).

Различные требования к решению этих про­блем на уровне регулирования с замкнутым контуром вызывают потребность в адаптивных системах, описание и определение которых приведено ниже.



Определение адаптивного управления

Поведение системы управления адаптируется к изменениям свойств регулируемой системы и ее сигналов. Процедура адаптации, как пра­вило, разделяется на два этапа:

  • идентификация изменений поведения си­стемы (параметров) во времени;
  • адаптация закона регулирования с замкну­тым или разомкнутым контуром, как реакция на изменение поведения системы.

Адаптация системы управления без обратной связи

Адаптация осуществляется системой управ­ления с разомкнутым контуром, обращенной к регулируемой системе в прямом направле­нии. При этом предполагается, что изменение свойств системы может быть зарегистрировано при помощи измерения внешних сигналов z (возмущений), и что зависимость поведения системы управления от этих сигналов известна (см. рис.5 «Адаптивная система управления без обратной связи»). Обратная связь с использованием внутренних сигналов контура регулирования для настройки блока управления отсутствует.

Адаптивная система управления без обратной связи

Адаптация системы управления с обратной связью

В случае адаптации с обратной связью изме­нение свойств системы не может быть прямо зарегистрировано, и должно быть идентифици­ровано при помощи поддающихся измерению сигналов системы управления. Процесс иден­тификации может представлять собой простое измерение или иметь более сложный алгоритм оценки моделей динамических процессов. В дополнение к основному контуру управления, в соответствии с законом адаптации, реализу­ется второй контур обратной связи (см. рис.6 «Адаптивная система управления с обратной связью»).

Как правило, первоначально рекомендуется выполнить адаптацию с разомкнутым контуром, т.е. для адаптации используются известные и метрологически регистрируемые взаимосвязи. Преимущества этой прямонаправленной структуры можно сравнить с преимуществами системы управления без обратной связи по сравнению с системой управления с обратной связью. Контур обратной связи, который может вызывать проблемы с устойчивостью системы, в первом случае отсутствует. На практике, в про­мышленном применении в основном использу­ются адаптивные системы без обратной связи.

Замечания по проектированию

Перед тем как приступить к проектированию системы адаптивного регулирования, следует прояснить следующие вопросы:

  • Какие параметры и функции необходимо адаптировать в связи с тем, что они не могут быть охвачены робастной конструкцией?
  • При помощи каких сигналов или перемен­ных эти параметры и функции могут быть определены?
  • Должна ли система для определения этих параметров и функций быть специально возбуждена, или адаптация может осущест­вляться в процессе текущего регулирования?
  • Может ли адаптация быть выполнена с ис­пользованием системы с разомкнутым кон­туром или должна быть предусмотрена об­ратная связь?
  • Каким образом можно проверить устойчи­вость и сходимость системы адаптивного управления?

Детальную проработку таких направлений, как разработка операций адаптивного регулирова­ния и идентификация динамических процессов, можно найти в [4], [10] и [11].

В следующей статье я расскажу о стандартах EN по металлургии.

Список литературы:

[1] DIN 19226, Control technology, Beuth Verlag, Berlin.

[2] Oppelt, Wmfried: Kleines Handbuch techmscher Regelvorgange, 5th Edition 1972, Verlag Chemie GmbH, Weinheim.

[3] Fbllinger, Otto: Regelungstechnik, 3rd Edition 1979, AEG-Telefunken, Frankfurt.

[4] Isermann, Rolf. Digitale Regelsysteme, 2nd Edition 1987, Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York.

[5] DE 102 007 040485 A1, Abgleichdaten AT- Getriebe.

[6] DE 102 007 027 702 A1, Kupplungsweg- Adaption fur automatisierte Kupplungen.

[7] DE 000 019 943 334 A1, Stdrmomentbeobach- ter, Wandlerkupplungsregelung.

[8] Bauer, Gunther; Schwemer, Christian: Ent- wurf einer Wandlerkupplungsregelung unter Be- riicksichtigung nichtfunktionaler Anforderungen, AUTOREG 2008, 4th Symposium Baden-Baden, 12 and 13 February 2008, VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik.

[9] DE102 006 001899 A1, Adaption Schaltdruck bei verschachtelten Mehrfachschaltungen AT- Ge- triebe.

[10] Isermann, Rolf: Identifikation dynamischer Systeme I, II, Springer-Verlag, Berlin, 1992.

[11] Isermann, Rolf: Mechatronische Systeme, 2nd Edition, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 2007.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *