Введение в МСАР

Многомерные системы автоматического регулирования (МСАР)
Системы, в которых осуществля­ется одновременное регулирование нескольких взаимо­связанных координат, называются многомерными системами автоматического регулирования.

Большая часть МСАР образуется при управлении несколькими координатами одного объекта или при сов­местной работе нескольких односвязных САР. Для та­ких систем характерно равенство числа регулируемых величин числу управляющих воздействий. Структур­ную схему МСАР этого класса можно представить в ви­де нескольких систем (каналов) регулирования с пере­крестными связями между ними. При этом каждой регу­лируемой величине можно поставить в соответствие свой регулирующий орган и тем самым определить в объекте прямые или сепаратные каналы передачи воздей­ствий. Прямые каналы в объекте выделяют либо по тех­нологическому признаку, либо по признаку интенсивно­сти и быстродействия связи между регулирующим орга­ном и регулируемой величиной. Если многомерный объект представляет совокупность агрегатов, объединенных для совместной работы, то пред­почитают пользоваться технологическим признаком, при котором агрегаты оборудуются собственными регулято­рами; если объект представляет конструктивное единое целое, то каналы распределяют в зависимости от их динамики.

Каждый из сепаратных каналов объекта имеет собственный сепаратный регулятор, так образуется сепаратная система (или сепаратный контур) ре­гулирования.

Канал передачи воздействий, берущий начало в одной сепаратной системе и приложенный в другой, называется перекрестной связью. Перекрестные связи могут действовать в объекте регулирования, или в многомерном регуляторе, или в том и другом одновременно.

Собственными для сепаратного контура называ­ются управляющие и возмущающие воздействия, прило­женные к звеньям этого контура. Все остальные внешние воздействия являются для рассматриваемого сепаратно­го канала несобственными («чужими»).

Многомерную систему автоматического регу­лирования по функциональному признаку можно расчле­нить на несколько частей. Совокупность элементов МСАР, выполняющих одну и ту же функцию (например, объект регулирования, измерительные элементы, ис­полнительные устройства и т. д.), называется функ­циональным блоком МСАР. По отношению к каж­дому из функциональных блоков применяются соответ­ствующие термины: многомерный объект, многомерный регулятор, многомерный измерительный элемент и т. д. (иногда в зависимости от контекста определение «многомерный» опускается).

Таким образом, МСАР представляют совокупность сепа­ратных систем с перекрестными связями между ними. МСАР могут быть расчленены на функциональные бло­ки, схема взаимодействия между которыми не отличает­ся от функциональной схемы САР с одной регулируемой переменной. В этом заключается структурные особенности МСАР, предопределяющие методы их исследования.

Классификация МСАР может быть осуществлена как по общепринятым в теории автоматического регулирова­ния признакам, так и по некоторым специфическим при­знакам, присущим лишь многомерным системам.

Многомерные системы автомати­ческого регулирования можно разделить по принципу их действия на системы: работающие по отклонению регулируемой величины от заданного значения (принцип Ползунова - Уатта); системы, основанные на принципе компенсации возмущений (принцип Понселе); комби­нированные системы, использующие оба принципа регу­лирования одновременно. Благодаря наличию многих регулируемых координат последняя группа систем мо­жет быть чрезвычайно разнообразной.

По целевому назначению каждая из сепарат­ных систем, входящая в МСАР, может быть отнесена к системам автоматической стабилизации, следящим си­стемам или системам программного управления. В соот­ветствии с этим МСАР в целом относится к многомерным системам автоматической стабилизации (МСАС), многосвязным следящим системам (МСС) или много­мерным системам программного управления (МСПУ), если все сепаратные системы являются соответственно системами автоматической стабилизации, следящими Си­стемами или системами программного управления.

Возможны также смешанные МСАР, в которых часть сепаратных систем являются системами автоматической стабилизации, а часть — следящими си­стемами или системами программного управления.

По характеру зависимостей статических ошибок регулирования от внешних воздей­ствий МСАР также, как и одномерные системы, мо­гут быть разделены на статические и астатические. Однако здесь возможно очень большое число разнообраз­ных сочетаний. По отношению к заданной системе воз­действий, например, задающим сигналам, система по ча­сти одних координат может быть астатической, а по оставшейся части координат — статической. Число воз­можных сочетаний резко возрастает с увеличением числа каналов регулирования.

МСАР могут быть также классифицирова­ны по признакам, специфичным только для них.
По соотношению между числом регулируемых и управляющих координат МСАР делятся на квадратные и прямоугольные. В квадратных - число регулируемых коор­динат объекта равно числу регулирующих органов. У МСАР прямоугольного типа число регулируемых ко­ординат не равно (чаще всего меньше) числу регули­рующих органов. В зависимости от числа регулируемых координат различают двух-, трех-, четырехмерные (и т. д.) МСАР.

В зависимости от принципа использования перекрест­ных связей в регуляторе МСАР делятся на автономные и неавтономные. В автономных МСАР процессы в сепарат­ных каналах, происходящие под действием какого-либо определенного комплекса возмущений или задающих воз­действий благодаря применению искусственных связей, протекают независимо друг от друга, однако при иной системе возмущений или заданий они могут быть взаимо­связаны. В неавтономных МСАР процессы управления являются взаимозависимыми при любой системе возмущений.

Большое практическое значение имеют многомерные системы, характеризующиеся идентичностью сепа­ратных контуров и перекрестных связей. Эта группа систем регулирования называется многомерными однотипными системами автоматического регулирования (МОСАР). Такие системы в свою очередь могут быть классифицированы по характеру перекрестных связей между ними.

Перекрестные связи, действующие между сепаратными системами регулирования, можно разбить на две группы.

К первой группе перекрестных связей относятся та­кие, которые присущи системе вследствие физических ее особенностей. Такие перекрестные связи будем называть естественными. Чаще всего естественные перекрест­ные связи существуют между каналами объекта регули­рования. Например, если объект регулирования представ­ляет собой единую конструкцию (например, авиадвига­тель) и осуществляется регулирование нескольких вели­чин, характеризующих его работу (скорости вращения турбины и температуры газов на входе в сопловой ап­парат), то, кроме прямых каналов передачи воздейст­вий от регулирующих органов к регулируемым перемен­ным, обычно имеются перекрестные связи между отдель­ными каналами объекта. То же самое получается и при объединении нескольких регулируемых агрегатов в еди­ную систему для совместной работы. Например, при пи­тании электрического двигателя (регулируемая пере­менная - скорость вращения) от генератора соизмери­мой мощности с регулируемым напряжением между каналами объекта регулирования (двигателем и генера­тором) возникают естественные перекрестные связи.

Вторая группа перекрестных связей образуется при введении искусственных воздействий между сепаратны­ми системами регулирования для придания системе в це­лом определенных, желаемых свойств. Обычно такие искусственные перекрестные связи вводятся в многомерном регуляторе. Эту группу перекрестных связей будем называть корректирующими перекрестными связями. Корректирующие перекрестные связи явля­ются средством улучшения показателей качества регули­рования в МСАР. Часто корректирующие перекрестные связи вводятся для поддержания определенных соотно­шений между регулируемыми величинами (например, для синхронизации параллельно работающих генераторов электрической энергии), для достижения полной или частичной автономности каналов управления и для других целей.

Иногда в МСАР естественные перекрестные связи в объекте отсутствуют, а имеются лишь корректирующие связи (например, в системах синхронизации винтов тур­бовинтовых авиационных двигателей, в системах коор­динации работы следящих систем в копировальных стан­ках и т. п.).

Таким образом, принципиальная разница между на­званными классами перекрестных связей заключается в том, что если в структурной схеме МСАР расположение и передаточные функции естественных перекрестных свя­зей заданы, то как точки приложения и отбора, так и пе­редаточные функции корректирующих перекрестных свя­зей должны быть выбраны из условия достижения за­данных требований к МСАР. При этом выбор точек отбора и приложения корректирующих перекрестных связей определяет структурную схему МСАР. В рамках конкретной структурной схемы направленное изменение свойств МСАР достигается путем выбора передаточных функций корректирующих перекрестных связей и их па­раметров. Желаемые свойства МСАР могут обеспе­чиваться и соответствующим выбором корректирующих устройств в самих сепаратных каналах. Возможность улучшения свойств системы за счет корректирующих пе­рекрестных связей, является специфической особенно­стью МСАР, поэтому данному виду связей уделя­ется особое внимание.

В зависимости от направления передачи сигналов пе­рекрестные связи делятся на прямые и обратные. Пря­мой перекрестной связью называется такая связь, че­рез которую сигнал с выхода или входа одной группы звеньев передается на выходы или входы другой группы звеньев, находящихся впереди по направлению прохож­дения сигналов. Обратной перекрестной связью называется связь, с помощью которой сигнал с выхода или входа одной группы звеньев передается на выходы или входы другой группы звеньев, находящихся позади по пути прохождения сигналов. Следует отметить, что деление перекрестных связей замкнутых МСАР на пря­мые и обратные в некоторой мере условно, так как об­ратная перекрестная связь в то же время является пря­мой для оставшейся (неохваченной ею) части сепарат­ного канала и наоборот. Поэтому в каждом конкретном случае указывается, по отношению к каким звеньям опре­деляется направление действия перекрестных связей (например, прямые перекрестные связи в объекте).

Перекрестные связи могут быть положительными и отрицательными. При расчетах МСАР знак перекрест­ной связи удобно относить к ее передаточной функции.