Л_05_Непрерывные и дискретные САУ

Непрерывные и дискретные САУ на
примере конструкции автомобилей
1. Классификация САУ
2. Дискретные системы управления АУ
3. Структурная схема системы управления при
технической эксплуатации АТС
4. Информационно-вычислительные системы
АТС
5. Системы определения координат АТС
6. Развитие систем управления движением АТС
Классификация САУ
1. по назначению (системы регулирования температуры, уровня,
давления, влажности и т. д.);
2. по физической природе сигналов (электрические,
пневматические, электрогидравлические);
3. по конструктивному исполнению регулятора;
4. по виду задающего воздействия. Различают: системы
автоматической стабилизации; системы программного
управления; следящие системы, изменение задающего
сигнала в которых происходит по случайному закону;
5. по наличию обратной связи (ОС) различают замкнутые и
разомкнутые системы;
6. по принципу регулирования можно выделить системы с
регулированием по отклонению, по возмущению и
комбинированные;
7. по характеру сигналов можно выделить непрерывные и
дискретные системы. Дискретные системы в свою очередь
делятся на импульсные, релейные и релейно-импульсные
(цифровые);
8. по классу уравнений, описывающих динамические процессы в
системе – линейные и нелинейные. Линейные системы описываются линейными дифференциальными и
алгебраическими уравнениями с постоянными коэффициентами
Особые линейные системы делятся на: нестационарные
(коэффициенты изменяются во времени), с распределёнными
параметрами (описываются уравнениями в частных
производных), с запаздыванием и импульсные;
9. по источнику энергии, поступающей в регулятор: системы
прямого и непрямого (косвенного) действия;
10. по свойствам в установившемся режиме различают
статические и астатические системы. САУ называется
статической, если при воздействии, стремящемся с течением
времени к некоторому установившемуся значению, ошибка
также стремится к постоянному значению, зависящему от
величины воздействия. САУ называется астатической, если
при воздействии, стремящемся с течением времени к
некоторому установившемуся значению, ошибка стремится к
нулю независимо от величины воздействия;
11. по количеству регулируемых параметров системы делятся
на одномерные, двумерные и многомерные;
12. по закону регулирования системы делятся на системы с
пропорциональным (П), пропорционально интегральным
(ПИ), пропорционально -дифференциальным (ПД) и
пропорционально интегрально дифференциальным
(ПИД) регуляторами;
13. по степени самонастройки, адаптации, оптимизации и
интеллектуализации различают:
 Экстремальные системы — значение регулируемой величины
автоматически поддерживается на экстремальном значении
(максимуме, минимуме) при различных значениях возмущающих
воздействий, заранее неизвестных. Программа изменения
выходной величины определяется автоматически в процессе
работы САУ.
 Системы с самонастройкой параметров — это системы, в
которых автоматически в зависимости от переменных заранее
неизвестных внешних условий устанавливаются оптимальные
значения параметров системы - регулируемая величина на выходе
САУ изменяется по оптимальному закону в соответствии с априори
заданным критерием качества — функционалом J (это функции
полезности, максимума прибыли, минимума потерь или
минимума расхода энергии при работе САУ и т. п.
 Системы с самонастройкой структуры — это системы, в
которых в зависимости от переменных, заранее не
определённых внешних условий производится оптимальная
настройка структуры системы таким образом, чтобы
регулируемая величина на выходе изменялась по
выгоднейшему (оптимальному) закону в соответствии с
заданным критерием качества.
 Системы комбинированного типа с самонастройкой
структуры и параметров.
 Интеллектуальные системы управления (ИСУ) - это
адаптивные или самоприспосабливающиеся системы,
обладающие способностью приспосабливаться к изменению
внешних условий, а также улучшать свою работу по мере
накопления опыта (свойство самообучения). ИСУ нового
поколения строятся как самообучающиеся
самонастраивающиеся системы с гибкими процедурами
принятия решений об управлении, как системы, основанные
на знаниях и формирующие новые знания в процессе
управления и функционирования.
2 Дискретные системы управления
Дискретные
сигналы
получаются
из
непрерывных
квантованием по уровню, по времени или одновременно
и по уровню, и по времени. Это системы, в структуре
которых используются цифровые устройства, контроллеры,
микропроцессоры, ЭВМ. Дискретные системы (ДС) находят
широкое применение в управлении разнообразными
техническими устройствами. Область применения ДС управление
различными
электромеханическими
и
электромагнитными
устройствами,
системами
телеизмерения
и телеуправления, многоканальными
системами связи, системами радиоуправления и т. д.
На рубеже 90-х годов произошло разделение путей
развития систем управления на две линии: на основе
универсальных ЭВМ, и на основе контроллеров и более
простых ЭВМ, но зато оптимизированных для требуемой
задачи.
Оба подхода получили право на жизнь, а их разумное
сочетание обеспечивает высокое качество систем
автоматического управления (САУ). При использовании в
САУ
ЭВМ
встаёт
задача
преобразования
промежуточной величины в цифровую форму,
появилось и стремительно развивается новое поколение
датчиков, в которых имеются встроенные контроллеры,
осуществляющие такое преобразование.
Такой интеллектуальный датчик сам становится элементом
вычислительной сети, поддерживающим сетевой протокол
и передающим данные в цифровой форме. Часто в
контроллере
такого
датчика
производится
предварительная цифровая обработка сигнала, например,
коррекция
систематической
погрешности
преобразователя, предварительная фильтрация
случайных
помех,
а
также
контроль
работоспособности.
 Цифровыми и интеллектуальными (со встроенными
микроконтроллерами) в САУ могут быть и другие
составные части: исполнительные устройства, каналы
связи, задатчики воздействий, фильтры и т.п. Кроме
перепрограммируемости,
это
даёт
повышение
надёжности за счёт гибкости конфигурации.
 Работа дискретных систем связана с воздействием,
передачей и преобразованием последовательности
импульсов. В отдельные точки ДС сигналы управления
поступают в некоторые заданные или произвольные
промежутки времени. Характерной чертой любой ДС
является наличие импульсных элементов (ИЭ), с
помощью которых осуществляется преобразование
непрерывных
величин
в
последовательности
дискретных сигналов.
Современная теория управления располагает универсальным
методом исследования дискретных систем на основе
специального математического аппарата - дискретного
преобразователя Лапласа, который позволил максимально
приблизить методологию исследования ДС к методологии
исследования непрерывных систем. Однако работа ДС
связана с квантованием непрерывных сигналов и теория
управления дискретными системами имеет особенности,
обусловленные наличием в этих системах импульсных
элементов.
При квантовании по уровню непрерывный сигнал х(t)
преобразуется в последовательность дискретных сигналов,
фиксированных в произвольные моменты времени при
условии x = const. Системы, в которых используются
сигналы, квантованные по конечному числу уровней (часто 23 уровня), называются релейными системами. Квантование по
уровню является нелинейным преобразованием сигналов,
релейные системы относятся к классу нелинейных систем.
При квантовании по времени сигналы фиксируются в
дискретные моменты времени t = const. При этом уровни
сигнала могут принимать произвольные значения.
Системы, реализующие квантование сигналов по времени,
называются импульсными системами (ИС). Квантование по
времени осуществляется импульсным элементом, который
в частном случае пропускает входной сигнал х(t) лишь в
течение некоторого времени.
При квантовании по уровню и по времени непрерывный
сигнал заменяется дискретными уровнями, ближайшими к
значениям непрерывного сигнала в дискретные моменты
времени t = const. Дискретные системы, реализующие
сигналы, квантованные по уровню и по времени,
называются релейно-импульсными, или цифровыми. В
этих системах квантование по уровню и по времени
осуществляется кодоимпульсным модулятором или
цифровым вычислительным устройством.
Решетчатой функцией называется функция,
получающаяся в результате замены
непрерывной переменной на дискретную,
определенную в дискретные моменты времени
nТ, n=0,1, 2, … Непрерывной функции x(t)
соответствует решетчатая функция х(nТ), где Т –
период квантования, при этом непрерывная
функция является огибающей решетчатой
функции. При заданном значении периода
квантования Т непрерывной функции x(t)
соответствует однозначная решетчатая функция
х(nТ).
Импульсная модуляция. Последовательность
импульсов в ИС подвергается импульсной
модуляции. Это изменение какого-либо
параметра периодически повторяющихся
импульсов. Применительно к немодулированной
последовательности импульсов (рис. 5.1.1, а)
такими параметрами являются амплитуда
импульсов А, длительность и период повторения
Т. Величина, определяющая закон модуляции,
называется модулирующей величиной.
Автотранспортные средства на разных этапах
материального производства выступают в разных
качествах:
1. Этап проектирования — системы и агрегаты
автомобиля являются техническими объектами
управления,
2. этап производства — технологические и
производственные объекты управления,
3. этап эксплуатации — АТС выступают как
технологические объекты управления при ремонте и
обслуживании и как элементы транспортной
системы при организации перевозочного
производственного процесса.
На АТС используются различные
системы автоматического регулирования
и управления. К ним относятся: системы
стабилизации скорости и траектории
движения АТС, программные и следящие
системы регулирования торможением
(противобуксовочные и
антиблокировочные системы),
системы регулирования подвески
(плавностью хода) и системы
регулирования просвета (высоты
кузова над дорогой).
При движении АТС возникает задача обеспечить
взаимодействие сложной системы «водитель —
АТС —дорога —среда». В процессе управления
перевозочным процессом участниками процесса
управления являются службы организации
дорожного движения.
При организации перевозочного процесса
решается транспортная задача: доставка грузов
или пассажиров в заданный пункт за
определенное время с минимальными
затратами. При этом возникают определенные
ограничения по скорости движения, запасу
топлива; времени в пути и т.д.
На первом уровне в процессе управления
движением АТС на маршруте перевозки
груза можно выделить два момента:
1. управление АТС в пределах
видимости дороги водителем;
2. управление на всем маршруте.
(Здесь водителю приходится решать
навигационную задачу, используя карты
или схемы маршрута, дорожные
указатели и знаки и показания приборов
АТС. В данном случае водитель
совмещает функции пилота и штурмана)
3 ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ
СИСТЕМЫ НА АТС
Информационно-вычислительные системы
облегчают водителю решение навигационной
задачи. В таких системах используется
информация о движении и состоянии АТС,
поступающая от бортовых систем, и информация
о дорожных и метеорологических условиях
(обледенение, пробки, ремонт), поступающая от
измерительных систем, установленных вдоль
автомагистрали на всем ее протяжении, а также от
метеостанции и бюро погоды. Внешние данные
передаются по специальным или спутниковым
линиям связи.
Карты дороги с указанием оптимального
маршрута могут поступать в систему из общей
базы данных по каналу связи или
предварительно записываться в память
микропроцессора информационной системы.
Современные навигационные системы включают
в себя спутниковые средства пеленгации и
точного определения местоположения
(координат) АТС, которые могут совмещаться со
спасательной системой. Такая система может с
помощью специального маяка передавать
сигналы службе обслуживания и спасения.
Система определения координат АТС в
технической литературе получила название
«навигатор».
В навигационных измерительно-вычислительных системах в
качестве устройства обработки информации применяются
исключительно МП. Так как устройства обработки
информации на базе МП по структуре аналогичны ЭВМ, то
они получили название «маршрутные компьютеры».
Преобразователи
Каналы связи
Маршрутный
компьютер
Параметры, которые измеряются и рассчитываются
информационно-вычислительной системой и
представляются водителю на дисплее.
Параметр
Пределы значений
Квант отсчета
Текущее время суток, ч/мин
00,00….23,59
1
Текущий расход топлива, л/100 км
О...62,5
0,1
Средний расход топлива за поездку,
л/100 км
0...99.9
ОД
Суммарный расход топлива за
поездку, л
О...624,9
0,1
Пробег поездки, км
0... 999,9
0,1
Средняя скорость поездки, км/ч
0... 199,9
0,1
Время поездки, ч/мин
00,00. ..99,59
1
Информация, получаемая с МК, позволяет
также при использовании правил
экономичного вождения автомобиля
добиваться снижения расхода топлива на
10... 15%.
Анализ параметров расхода топлива,
выдаваемых МК, позволяет осуществлять
ежедневную диагностику состояния
автомобиля.
Современные маршрутные компьютеры
выполняют также функции диагностических
тестеров и выдают все диагностические коды
ошибок контроллера ДВС.
5. Системы определения координат АТС
Маячковые системы определения координат
АТС. Маяки с инфракрасным излучателем
устанавливаются на транспортных путях. Они
имеют точную привязку к местности и свой код.
На автомобиле устанавливается приемник с
дешифратором. В простейшем случае маяки
указываются на карте, и по коду маяка водитель
определяет местоположение АТС. При
использовании микропроцесса карта может быть
внесена в его память и маяки будут отражаться
на экране дисплея. Вместе с кодом маяка может
передаваться и дополнительная информация о
дорожной обстановке и сервисном обслуживании
на данном участке дороги.
Компасные системы определения
координат АТС. Разработаны надежные
малогабаритные магнитные компасы с
полупроводниковыми преобразователями
положения чувствительного элемента
компаса в электрический сигнал. При
наличии МК и датчика пути можно
определять расстояние, пройденное по
каждому азимуту. Координаты
местоположения АТС относительно
начальной точки движения выдаются на
дисплей ИВС.
Пеленгационно-спутниковые
системы определения координат АТС.
Радиомаяк с кодовыми посылками,
установленный на АТС, пеленгуется
несколькими пеленгаторами,
установленными на спутниках. По каналу
связи географические координаты,
определенные навигационной системой,
передаются на дисплей АТС.
Микропроцессорное устройство обработки
информации хранит в памяти карту
маршрута и по заданию водителя и
истинным координатам АТС прокладывает
6. РАЗВИТИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ДВИЖЕНИЕМ АТС
Процесс управления автомобилем включает в себя:
трогание, ускорение, стабилизацию скорости и
траектории движения, маневрирование, торможение и
остановку. Водитель регулирует необходимое для
движения усилие, скорость и направление. Дня этого на
автомобиле имеются соответствующие органы управления.
Возмущающие воздействия, определяемые внешней средой,
и множество вариантов сочетаний скорости, силы и
направлений усложняют управление автомобилем.
При управлении движением (вождении) транспортного
средства приходится решать следующие задачи:
управление скоростью на тяговых режимах;
управление скоростью на тормозных режимах;
управление направлением движения;
управление плавностью хода.
Основным источником энергии является двигатель.
Его механическая энергия преобразуется в другие
виды непосредственно или через промежуточное
преобразование в электрическую энергию.
Потребители тепловой энергии могут утилизировать
тепло двигателя или иметь независимый источник.
Основными параметрами источников энергии
являются напряжение, давление, температура и
мощность (производительность). Для успешного
использования дополнительных источников
требуется стабилизация их выходных параметров, а
это можно обеспечить только путем применения
автоматических регуляторов. Это регуляторы
напряжения, давления, температуры и т.д.
Пример дискретного
УПРАВЛЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЕМ
Автоматизация управления сцеплением упрощает
работу водителя при трогании и переключении
передач. В настоящее время применяются
автоматизированные и автоматические системы
управления. В первом случае в привод прямого
действия устанавливают различного рода усилители
для снижения усилия на педали сцепления. Во втором
случае в сцеплении или приводе применяют систему
автоматического управления. При этом отпадает
необходимость в педали сцепления и, следовательно,
в традиционном приводе. Автоматическое сцепление
должно обеспечить возможность трогания с места с
различной скоростью, осуществлять переключение
передач без рывков и т.д.
клапан-распределитель 7, управляемый электромагнитом 1, контакт К находится
на рычаге переключения передач и замыкается при его перемещении. В
результате шток клапана 7 смещается и вакуум-ресивер 2, соединенный с
коллектором двигателя через обратный клапан 3, сообщается с камерой 6, с
помощью которой выключается сцепление. При отпускании рычага переключения
передач контакт К I размыкается, камера сообщается с атмосферой и под
действием нажимных пружин сцепление включается. Темп включения сцепления
зависит от времени заполнения камеры воздухом, который поступает через жиклер
4 и дополнительный клапан 5, степень открытия которого определяется
разрежением в диффузоре карбюратора.