ческий реактор. Двигатель или реактор выводится па рабочий режим при noMomj управления последовательностью событий, а .затем вступает в действие регулятор.; обратной связью для поддержания требуе.мого значения скорости вращения или тем. пературы соответственно.

Пример из поточного производства служит иллюстрацией другого вида в,заимодеи. ствия структур управления. В технологаческой линии робот перемещает детали межг, несколькими станками с ЧПУ. Положение и скорость каждого механн.з.ма, включая); робота, управляются несколькими контурами регулирования с обратгюй связью тщ; показанных на рис. 2.9 и 2.10. Очевидно, что механизмы не могут работать не.зависи.мо) их действия должны координироваться. Для синхронизации работы станков и робот; иеобходи.мо наличие управляющей систе.мы - диспетчера. Механизмы посылают диспетчеру сигналы о своем рабочем состоянии, как то: "операция выполнена", "робот блокирован", "станок готов к получению новой летгиш" и т. д. Диспетчер определяет соот ветствующие управляющие во.здействия для наиболее эффективного использовани станков и робота, одновременно пытаясь и.збежать конфликтных ситуаций типа длительного простоя станков или в.заимных блокировок.

Регулирование с обратной связью рассматривается в главе 6, управление последовательностью событий - в главе 7, а системная интеграция обсуждается в г.паве 12 Концепция координированного управления общими ресурсами системы (в рассмотренном выше примере - это робот) и.зложена в главе 10.

2.2.6. Критичные по времени процессы

Многие процессы требуют высокого быстродействия системы управления. Рассмотрим, например, регулирование скорости прокатного стана. Работу pa,злич!iы двигателей и механиз.мов прокатного стана иеобходи.мо синхронизировать с высокой точностью, в противном случае стальная полоса может либо порваться, либо значительно погнуться. Идея управления заключается в некотором ослаблении натяжения стальной полосы в течение всего процесса. Высокая скорость движения полосы (10-100 м/с) обусловливает необходимость распознать изменение скорости любого двигателя в пределах нескольких миллисекунд с последуюгцей коррекцией скорост;: других двигателей. Разумеется, это предъявляет весьма высокие требовагшя к быстродействию управляющего компьютера.

2.2.7. Свойства процессов, усложняющие управление

Уровень сложности системы управления определяется, в первую очередь, свойствами управляе.мого процесса. Среди прочих проблем, усложняюгцих управление-наибольн1ее влияние оказьп!ают:

- нелинейность процесса;

- изменяющаяся внешняя среда;

- из.менегше условий самого процесса; ~ значительные вре.меиные задержки;

- внутренние связи процесса.

Практически все физические процессы по своей природе нелинейны. Фактически линейные соотношения в большинстве случаев представляют собой искусственна

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, пе 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.

Важньп"! вид нелинейности - насыщение магнитных материалов электрических MauHHi. 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 при.мер - переключающий клапан: он .может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт. Компьютер способен на основе сложных вычислений определить, что онтима/тьный входной поток для процесса составляет 46 или 107 % от значения, соответствующего полному открытию, но реально для клапана возможны лишь два значения О или 100 %. Кроме того, быстро изменяющиеся сигналы управления могут вызвать изгюс клапана, поэтому их необходимо избегать.

Меггяющиеся 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 во.здух более плотный. Поэтому автопилот должен учитьшать высоту наряду с десятками других факторов, чтобы управлять самолетом при изменяющихся условиях.

Поведегще 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 пара.метры как функцию мощности можно сохранить в виде таблицы; такой метод называется табличным управлением коэффициентом усиления.

Запаздывание сигналов или на7Шчие зон нечувствительности (мертвых зон) представляет собой серьезную проблему для управлегщя. Из-за этого регулятор функционирует на основе устаревптх данных, вплоть до того, что он может выдавать ложные команды. Запа,здывания 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, тр буемое для того, чтобы поток с новыми характеристиками достиг точки и,змерен% приводит к .запа.здыванию информации, которое может вы.звать неустойчивую рабе, ту, т. е. осложнить достижение и поддержку требуемой концентрации. Временные па,здывания со.здаются не только длинными трубами. Многие типы датчиков хара? теризуются некоторым временем, необходимым для получения нового значенц измеряемой величины, что ведет к задержке системы управления и, как следствр, к неустойчивости.

Хорошей иллюстрацией последствий запаздывания в распространении сигнал служит эксперимент, демонстрируемый в некоторых музеях науки и техники. Вы rt ворите в микрофон и слыптте собственный голос в наушниках. Если сигнал от цт 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. Запа.здывания такого рода осложняют ра; говоры.

Регулятор в системе с времегтыми задержками должен "помнить" старые управ ляющие во.здействия, т. е. он должен хранить значения выходных управляющих си: налов и использовать их для последующих расчетов. Существуют регуляторы, спс собные компенсировать временные задержки. Они содержат модель управляемо:: процесса в той или иной форме и оценивают по специальным алгоритмам текущк значения тех переменных, которые нель.зя измерить прямо без запа,здывания. 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. РЗсли открывается окно в одной.: ко.мнат, то температура .меняется не только локально, но и до некоторой степегшв сс седних комнатах. Систе.му с внутренними связя.ми, где изменение на одном из входе влияет сразу на несколько выходов, можно представить в виде блок-схемы, npHBf денной на рис. 2.11.

возмугцения

входные сигналы (управление)

выходные сиггшлы (измерения)

Рис. 2.11. Вггутренипе взап.мосвязп технического процесса

Для систем производства и передачи электрической энергии характерны большИ ство из отмеченных ранее проблем. Система чрезвычайно сложна но всех смысла имеет больнюе число составляющих, об.тадает нелинейной динамикой, должна раб