Свойства процессов, усложняющие управление

Уровень сложности системы управления определяется, в первую очередь, свои ствами управляемого процесса. Среди прочих проблем, усложняющих управление наибольшее влияние оказывают:

- нелинейность процесса;

- изменяющаяся внешняя среда;

- изменение условий самого процесса;

- значительные временные задержки;

- внутренние связи процесса.

Практически все физические процессы по своей природе нелинейны. Фактически линейные соотношения в большинстве случаев представляют собой искусственное упрощение реального положения вещей. Например, зависимость между силой реакции и удлинением пружины в механических системах очень часто нелинейна, т. е.

если удлинение пружины увеличивается в два раза — сила реакции не удваивается, а растет быстрее. Скорость протекания реакции в большинстве химических процессов нелинейно зависит от температуры. При некоторой рабочей температуре изменение последней на несколько градусов вызывает изменение скорости реакции. Это, однако, не означает что такое же изменение при другой рабочей температуре приведет к точно такому же изменению скорости реакции.

Тем не менее, благодаря своей простоте — по крайней мере, по сравнению с нели­нейным представлением — линейные модели позволяют создавать удобные аппрок­симации физических систем. Линейные и нелинейные модели рассматриваются в главе 3.

Важный вид нелинейности — насыщение магнитных материалов электрических машин. Намагничивание якоря является функцией не одной переменной, а зависит от "истории" двигателя, т. е. состояний, предшествовавших текущему режиму, — эффект гистерезиса. Разгон электрического двигателя от нулевой скорости до поло­вины номинальной не то же самое, что снижение скорости от номинальной до ее по­ловины. При проектировании системы управления такие факторы необходимо учи­тывать.

Нелинейность встречается не только в физических процессах, но и в их интерфей­се с компьютером, т. е. в датчиках и исполнительных механизмах. Типичный пример — переключающий клапан: он может быть либо полностью открыт, либо полнос­тью закрыт. Компьютер способен на основе сложных вычислений определить, что оптимальный входной поток для процесса составляет 46 или 107 % от значения, со­ответствующего полному открытию, но реально для клапана возможны лишь два значения 0 или 100 %. Кроме того, быстро изменяющиеся сигналы управления могут вызвать износ клапана, поэтому их необходимо избегать.

Меняющиеся условия внешней среды проявляются, например, в динамике самолета. Самолет ведет себя по-разному на малых и больших высотах из-за разницы в плотности воздуха. Реакция на движение закрылков проявляется сильнее на низких высотах, где воздух более плотный. Поэтому автопилот должен учитывать высоту наряду с десятками других факторов, чтобы управлять самолетом при изменяющихся условиях.

Поведение парового котла представляет собой пример процесса с изменяющейся динамикой. Из-за внутренних нелинейностей динамика котла существенно различна при малых и больших уровнях мощности. Это означает, что настройки параметров регулятора должны зависеть от уровня мощности, на котором в данный момент работает котел. Рабочие параметры как функцию мощности можно сохранить в виде таблицы; такой метод называется табличным управлением коэффициентом усиления.

Запаздывание сигналов или наличие зон нечувствительности (мертвых зон) представляет собой серьезную проблему для управления. Из-за этого регулятор функционирует на основе устаревших данных, вплоть до того, что он может выдавать ложные команды. Запаздывания всегда присутствуют в тех процессах, где некоторые параметры нельзя измерить непосредственно. Например, при регулировании концентрации жидкости ее величина измеряется в нижнем сечении трубы и затем передается регулирующему клапану, расположенному выше по течению. Время, требуемое для того, чтобы поток с новыми характеристиками достиг точки измерении приводит к запаздыванию информации, которое может вызвать неустойчивую рабц ту, т. е. осложнить достижение и поддержку требуемой концентрации. Временные запаздывания создаются не только длинными трубами. Многие типы датчиков xapактеризуются некоторым временем, необходимым для получения нового значенц измеряемой величины, что ведет к задержке системы управления и, как следстви( к неустойчивости.

Хорошей иллюстрацией последствий запаздывания в распространении сигнал; служит эксперимент, демонстрируемый в некоторых музеях науки и техники. Вьггс ворите в микрофон и слышите собственный голос в наушниках. Если сигнал от мщ рофона поступает с задержкой более чем на несколько долей секунды, то вы быстр, сбиваетесь и прекращаете говорить. Этот пример наглядно демонстрирует неусто! чивость, вызванную задержками во времени. Подобный эффект иногда встречаете при разговоре по телефону через спутник. Запаздывания такого рода осложняют раз говоры.

Регулятор в системе с временными задержками должен "помнить" старые управ ляющие воздействия, т. е. он должен хранить значения выходных управляющих сиг налов и использовать их для последующих расчетов. Существуют регуляторы, спо собные компенсировать временные задержки. Они содержат модель управляемой процесса в той или иной форме и оценивают по специальным алгоритмам текущм значения тех переменных, которые нельзя измерить прямо без запаздывания. Реп ляторы этого типа анализируются в главе 6.

Учет внутренних взаимосвязей добавляет массу сложностей в модель процесс) даже если он в основе своей прост. Примером в этом смысле может служить задач регулирования температуры в комнатах здания. Если открывается окно в одной к комнат, то температура меняется не только локально, но и до некоторой степени в со седних комнатах. Систему с внутренними связями, где изменение на одном из входе; влияет сразу на несколько выходов, можно представить в виде блок-схемы, привс денной на рис. 2.11.

возмущения

Рис. 2.11. Внутренние взаимосвязи технического процесса

Для систем производства и передачи электрической энергии характерны болыш» ство из отмеченных ранее проблем. Система чрезвычайно сложна во всех смыслах имеет большое число составляющих, обладает нелинейной динамикой, должна работать в рамках жестких временных ограничений, подвержена постоянному изменению нагрузки и внешних условий, требует очень высокой управляемости и надежности. Обеспечить круглый год без перебоев наличие в любой розетке электрической энергии с постоянными значениями напряжения и частоты далеко не просто. Эффективно уп­равлять такими большими системами можно только с помощью компьютеров.