Все многообразие систем управления можно разделить на классы по различным признакам, важнейшими из которых являются цель управления, вид структуры, вид и размерность математической модели, характер сигналов, характер параметров, характер внешних воздействий. Согласно этим признакам будем различать:

- системы стабилизации, программного управления, следящие системы;

- системы разомкнутые, замкнутые или комбинированной структуры;

- модели линейные, нелинейные, скалярные и векторные;

- системы непрерывные, дискретные или гармонически модулированные;

- системы стационарные и нестационарные, с сосредоточенными или распределенными параметрами;

- системы с детерминированными или стохастическими воздействиями.

Практическая классификация систем управления обычно строится на основе применяемых принципов управления и осуществления управляющих воздействий.

Принципы управления. Выделяют три фундаментальных принципа создания систем управления: разомкнутое управление, компенсирующее управление и управление с обратной связью (замкнутое управление).

При разомкнутом управлении программа управления жестко задана в УУ и влияние возмущений на параметры процессов не учитывается. Примерами таких систем являются часы, магнитофон, компьютер, и т.п. Разомкнутое регулирование применяется при наличии двух условий:

- достаточной информации о свойствах объекта и их постоянстве в процессе работы;

- незначительном уровне помех или их полном отсутствии.

В простых разомкнутых системах управляющее воздействие u(t) формируется управляющим устройством как функция задающего или возмущающего воздействия. Если известна модель объекта у = Y(u, x) в алгебраической или дифференциальной форме и известно необходимая реакция у(t), то решается обратная задача u(t) = G(у(t), x(t)) и определяется управление, которое необходимо для реализации реакции объекта 2. Найденный закон управления u(t) реализуется регулятором 1. Однако такое управление можно реализовать в том случае, если x(t) = const.

Для уменьшения или устранения отклонения управляемой величины от требуемого значения, вызываемого влиянием того или иного фактора, необходимо, чтобы управляющее воздействие было определенной функцией этого фактора и характеристик объекта.

Принцип управления по возмущению состоит в том, что для уменьшения или устранения отклонения s_y(t) управляемой величины от требуемого значения, вызываемого возмущающим воздействием x(t), измеряется это воздействие и в результате его преобразования вырабатывается управляющее воздействие u(t), которое, будучи приложено ко входу объекта управления 2, вызывает компенсирующее отклонение управляемой величины противоположного знака по сравнению с отклонением s_y (t).

Основной недостаток разомкнутых систем - практическая невозможность иметь идеально точную модель системы у = Y(u, x) с учетом всех действующих возмущений, равно как и измерять все регулярные и нерегулярные возмущения. Разомкнутые системы обычно не применяются для управления неустойчивыми объектами и объектами с изменяющимися параметрами.

Если воздействие возмущающих факторов может искажать выходную величину системы до недопустимых пределов, то применяют принцип компенсации с использованием корректирующего устройства. Для задания параметров коррекции должно проводиться изучение соответствующего возмущающего фактора или создаваться его математическая модель. Примеры систем компенсации: биметаллический маятник в часах, компенсационная обмотка машины постоянного тока и т.п. Принцип компенсации обеспечивает быструю реакции на возмущения и более высокую эффективность управления, но, как правило, используется для компенсации только определенных дестабилизирующих факторов и не может защитить от всех возможных возмущений.

Наибольшее распространение в технике получило управление с обратной связью, при котором управляющее воздействие корректируется в зависимости от выходной величины y(t). Если значение y(t) отклоняется от требуемого, то происходит корректировка сигнала u(t) с целью уменьшения данного отклонения. Для выполнения данной операции выход ОУ соединяется с входом устройства управления главной обратной связью (ОС). Это самый дорогой вид управления, при этом канал обратной связи является наиболее уязвимым местом системы. При нарушении его работы система может стать неустойчивой или полностью неработоспособной.

Отметим, что при введении обратной связи система управления становится инерционной. Поэтому часто применяют комбинацию обратной связи с принципом компенсации, что позволяет объединить достоинства обоих принципов: быстроту реакции на возмущение при компенсации и точность регулирования независимо от природы возмущений от обратной связи.

Методы классификации систем. В настоящее время существует достаточно много методов классификации систем управления. Отметим некоторые из них.

Наиболее общая классификация с позиций методов исследования систем, учитывающая способы математического описания, характер передачи сигналов, и характер протекания процессов в системах, приведена на рис. 1.3.6.

Классификация по топологии функциональной схемы выделяет следующие виды систем управления.

Одноконтурные (одномерные) СУ – с одной регулируемой величиной и с одним каналом обратной связи.

Многоконтурные – могут быть с одной регулируемой величиной с каналом главной обратной связи и несколькими каналами местной обратной связи, и с несколькими регулируемыми величинами (многомерные СУ) с несколькими каналами главных обратных связей.

Многомерные СУ подразделяются на:

- Многоконтурные несвязанные системы, регуляторы которых (управляющие устройства) не связаны между собой вне объекта управления. Подразделяются на зависимые и независимые. В зависимых системах изменение одной величины приводит к изменению других регулируемых величин, в независимых такой связи нет.

- Многоконтурные связанные системы, регуляторы которых связаны между совой вне объектов управления. Подразделяются на автономные и неавтономные. В автономных системах изменение одной величины не приводит к изменению других регулируемых величин, или соответствующим образом компенсируется. В неавтономных системах существует определенная связь между регулируемыми величинами.

Тип и характер управления. По воздействию чувствительного (измерительного) элемента на регулирующий орган различают системы прямого и косвенного управления. В системах прямого управления передача воздействия осуществляется непосредственно с измерительного элемента на регулятор (например, с поплавка на задвижку в системах заполнения емкостей). Прямое управление обычно является достаточно простым, но не отличается высокой точностью. В точных системах, как правило, применяют косвенное управление с каким-либо преобразованием (конвертированием, усилением мощности) измеренного сигнала в управляющий.

Классификация систем по свойствам в установившемся режиме. По виду зависимости регулируемой величины от внешнего воздействия различают статические и астатические системы.

В статических системах регулируемая величина y(t) при постоянном возмущающем (задающем) воздействии по окончании переходного процесса принимает значение, пропорциональное воздействию, т.е. между входной и выходной величинами управляющего устройства имеется строго определенная функциональная связь y=F(x), которую принято называть статической характеристикой. В режиме холостого хода управляемая величина пропорциональна значению задающе­го воздействия х_з, а наклон статической характеристики не зависит от х_з. Изменяя х_з, можно перемещать статическую характе­ристику параллельно себе в вертикальном направлении. Обычно х_з выбирают таким образом, чтобы управляемая величина точно соответ­ствовала требуемому (номинальному) значению при номинальной нагрузке. Примером статической системы автоматического управления может служить электронный стабилизатор напряжения источника питания.

В астатических системах при внешнем воздействии по окончании переходного процесса значение регулируемой величины устанавливается равным заданному, т.е. система в установившемся режиме стремится к нулевому значению между заданным и текущим значением регулируемой величины. Если отклонение управляемой величины в установившемся режиме не зависит от возмущающего воздействия, то система является астатической к этому возмущающему воздействию. Если оно не зависит от задающего воздействия, то система астатическая по отношению к задающему воздействию.

Управляющие воздействия. По виду управляющих воздействий различают непрерывные и дискретные системы.

В системах непрерывного аналогового управления выходное управляющее воздействие имеет определенную непрерывную функциональную связь y=F(g) с входными воздействиями, где А в общем случае представляет собой оператор системы. В системах дискретного управления оператор является дискретным. Дискретные системы подразделяются на системы релейного действия, импульсные и цифровые.

В системах релейного действия в структуре СУ имеется один или несколько релейных элементов с пороговой реакцией типа 0/1.

Импульсные СУ характеризуются формированием выходных импульсных сигналов, определенные параметры которых (амплитуда, длительность, момент начала действия) являются функциями входного воздействия.

Цифровые СУ реализуют алгоритмы управления на входящих в их состав ЭВМ или специализированных вычислительных устройствах.

Широко используются также системы управления комбинированного типа, сочетающие в различных комбинациях аналоговые, дискретные и цифровые методы формирования управляющих воздействий.

По характеру работы функциональных узлов в составе СУ выделяют линейные и нелинейные системы.

В линейных системах между выходными и входными величинами существуют функциональные зависимости. Процессы в таких системах описываются дифференциальными уравнениями. В зависимости от вида дифференциального уравнения линейные системы подразделяются на типы, приведенные на рис. 1.3.8.

Для линейных систем всегда выполняется принцип суперпозиции (реакция системы на сумму воздействий равна сумме реакций на каждое воздействие в отдельности).

В нелинейных системах хотя бы в одном звене системы нарушается принцип суперпозиции (линейность статической характеристики). В уравнениях динамики нелинейных систем присутствуют нелинейные функции (произведение переменных или их производных, степени переменных и т.п.). Возможности и качество управления в нелинейных системах значительно выше, чем в линейных.

Все реальные системы управления обычно являются нелинейными и расчет систем достаточно сложен. С учетом хорошей разработанности теории линейных систем, нелинейные системы обычно стремятся привести к линейным, используя методы линеаризации.

По степени использования информации во входных воздействиях системы делятся на адаптивные и неадаптивные.

Адаптивные системы обладают способностью приспосабливаться к изменению внешних условий и воздействий, а также повышать качество управления по мере накопления информации. Неадаптивные системы такими способностями не обладают и имеют постоянную настройку под определенные внешние условия и воздействия с ограниченным диапазоном их вариаций.

В последние десятилетия интенсивно разрабатывается новый класс систем управления - интеллектуальные системы управления (ИСУ). ИСУ строятся как самообучающиеся, самонастраивающиеся системы с гибкими процедурами принятия решений. Они способны формировать новые знания в процессе управления и функционирования, выступать в качестве экспертных систем, встроенных в контур управления, и работать в интерактивном режиме с лицом, принимающим решения.

Классификация по типам управления

Процесс управления любыми объ­ектами, осуществляемый без участия человека, называется автоматическим. Совокупность всех устройств, обеспечивающих автоматическое управление объектом, называется системой автоматического управ­ления (САУ). В тех случаях, когда система обеспечивает стабили­зацию управляемой величины в заданных пределах, она называется системой автоматического регулирования (САР).

Под автоматизированным понимается управление объектом в системе с разомкнутой обратной связью с участием человека, анализирующего состояние объекта с помощью ЭВМ. Системы, реализу­ющие такое управление, называются автоматизированными систе­мами управления (АСУ). Если объекты управления отно­сятся к типу технических, то системы управления называются автоматизированными система­ми управления технологическими процессами (АСУТП). Если объект управ­ления является объектом производственно-экономического или со­циального характера, то система управления им относится к авто­матизированным системам организационного управления (АСОУ).

В последние годы все более широко внедряется интегрирован­ное управление, реализуемое интегрированными автоматизирован­ными системами управления (ИАСУ). В ИАСУ объектами управ­ления являются технические, производственно-экономические, орга­низационные и социальные системы. ИАСУ создаются и функционируют на основе ЭВМ и экономико-матема­тических методов, которые используются для управления техниче­скими объектами, технологическими процессами, для планирования, контроля, анализа и регулирования производства в целом.

Систему автоматизированного проектирования (САПР) можно определить как интегрированную автоматизированную систему уп­равления, объектом управления которой является процесс выбора проектно-конструкторских решений на основе экономико-математи­ческих моделей изделий, конструкций, архитектурно-планировоч­ных вариантов и т. п.

Классификация по алгоритмам функционирования. Каждая система характеризуется алгоритмом функ­ционирования — совокупностью предписаний, определяющих харак­тер изменения управляемой величины в зависимости от воздействия. По алгоритмам функционирования системы делятся на стабилизирующие, программные, следящие и преобразующие системы.

Стабилизирующие системы обеспечивают поддержание с необходимой точностью (стабилизацию) одной или нескольких управляемых величин при произвольно меняющихся возмущающих воздействиях. Задающей воз­действие системы - постоянная величина, т. е. u(t) = const.

Программные системы управляют изменением управляемой величины с необходимой точнос­тью в соответствии с составленной программой, если она заранее известна в виде временной функции.

Программную систему можно рассматривать как стабилизирующую систему, в которой задача стабилизации усложняется задачей измене­ния управляемой величины по заданной программе. Изменение уп­равляемой величины по программе достигается добавлением к ста­билизирующей системе некоторого элемента — программного устрой­ства ПУ, изменяющего задающее воздействие u(t) во времени по определенному закону. Примерами програм­мных систем являются системы управления металлургическими, хи­мическими и другими процессами, системы программного управления станками, системы программного управления выводом спутников Земли на расчетные орбиты.

Следящие системы. Алгоритм функционирования системы - изменение управляемой величины в соответствии с заранее неизвестной функцией времени, определяемой задающим воздействием. Задающее воздей­ствие в следящей системе изменяется не по заранее заданной програм­ме, а произвольно. Например, антенна радиолокатора поворачивается, следуя за самолетом, траектория движения которого заранее неизвест­на, т. е. «следит» за ним. Задающие воздействия и управляемые величины следящих систем могут иметь разнообразный характер по своей физической при­роде. Причем управляемая величина по своей физической природе может отличаться от задающего воздействия. Например, широко распространены следящие системы пространственного слежения, воспроизводящие задающее воздействие в ви­де механического перемещения (синхронно следящие приводы, силовые следящие приводы), которые обеспечивают синхронное и синфазное вращение механически не связанных между собой валов и т.п.

Преобразующие системы. Алгоритм системы - пре­образование с необходимой точностью задающего воздействия (совокупности задающих воздействий) в управляемую величину (совокупность управляемых величин) в соответствии с некоторой функцией преобразования. Преобразующая система должна возможно более точно воспроизводить на своем выходе не само задающее воздействие (как следящая система), а некоторую вели­чину, связанную с управляющим воздействием функций преобразова­ния. К преобразующим системам относятся, например, интегриру­ющие, дифференцирующие, экстраполирующие и другие системы авто­матического управления.