Классификация автоматизированных систем управления (АСУ) в промышленности

Системы управления и регулирования классифицируются по следующим принципам.

1. По методу управления автоматизированные системы управления (АСУ) подразделяются на неадаптивные (или неприспосабливающиеся) и адаптивные (или приспосабливающиеся) системы.

Неадаптивные автоматизированные системы управления не приспосабливаются к изменяющимся условиям работы объекта управления. Это наиболее простые системы, не изменяющие своей структуры и параметров в процессе управления. Практически все автоматизированные системы регулирования (АСР) относятся к неадаптивным АСУ. Для этих систем на основе априорной (существующей до начала работы) информации при проектировании и наладке выбирают структуру и параметры, которые обеспечивают заданные свойства системы (выполнение целей управления) для типовых или наиболее вероятных условий ее работы (при необходимости перестраивать системы можно вручную).

Неадаптивные системы подразделяются на три типа: стабилизирующие системы, т.е. обеспечивающие поддержание постоянного заданного значения регулируемой величины (например, система поддержания заданного значения расхода мазута во вращающуюся печь спекания); программные, задачей которых является изменение регулируемой величины по заданному закону во времени или в зависимости от величины другого параметра (например, изменение температуры в камерной термической печи по определенному графику, необходимому для данного типа термообработки: повышение температуры с определенной скоростью, выдержка при постоянной температуре и т.п.); следящие системы, обеспечивающие изменение регулируемой величины в определенном соотношении с задающим воздействием, когда можно рассматривать то, что заданное значение изменяется произвольным образом, не зависящим от данной системы (например, регулирование соотношения топливо–воздух при управлении сжиганием топлива).

Адаптивные АСУ – это такие системы, в которых параметры управляющих устройств или алгоритмы управления автоматически и целенаправленно изменяются для осуществления оптимального управления объектом, причем характеристики объекта или внешние воздействия на него могут изменяться заранее непредвиденным образом.

Адаптивные АСУ способны менять структуру, параметры или программу своих действий в процессе управления. Поскольку в процессе управления происходит автоматическое изменение параметров или структуры системы, то адаптивные АСУ называют также самонастраивающимися.

Адаптивные АСУ подразделяют на два типа: экстремальные системы, которые автоматически ищут экстремум управляемой величины, а так как его положение изменяется в процессе работы объекта, то система автоматически изменяет направление поиска, скорость и т.д. (изменяет программу своих действий); оптимальные системы, которые используют с целью получения оптимальных условий объекта, характеризуемых экстремумом критерия управления при определенных ограничениях.

При работе самонастраивающихся систем могут автоматически изменятся параметры системы (настройки управляющих устройств), и тогда их называют системами с самонастройкой параметров. Если автоматически меняется структура системы (изменяется алгоритм управления), то такие системы называют системами с самонастройкой структуры (или с переменной структурой). Системы, изменяющие в процессе работы программу своих действий, называются системами с самонастройкой программы.

Настраивающиеся АСУ реализуются с использованием управляющей вычислительной машины (УВМ), исключение могут составлять экстремальные системы. Для работы УВМ необходимо наличие аналитического описания (математических моделей) объекта управления и других элементов системы, а также алгоритмов адаптации и управления, по которым и рассчитывают характеристики системы, обеспечивающие оптимизацию работы объекта. Различают пассивные и активные методы адаптации системы. В первом случае связь структуры и настроек системы с изменяющимися условиями работы объекта задается заранее на основе априорной информации. Пассивные методы адаптации возможны при нестационарных объектах управления с известными закономерностями изменения параметров. Примером активного метода самонастройки АСУ является система оптимального управления нагревательной печью, когда задания и настройки всех локальных регуляторов определяют из условий оптимальной производительности печи или минимальных суммарных затрат на нагрев и прокатку металла на основе текущей информации о процессе.

2. По характеру использования информации АСУ и АСР делят на замкнутые и разомкнутые системы. Замкнутые системы (системы регулирования по отклонению) используют рабочую текущую информацию о выходных величинах, определяя отклонение регулируемой величины от заданного значения, и принимают меры к уменьшению и устранению этого отклонения.

Разомкнутые АСР непосредственно не используют рабочую информацию о регулируемых величинах, а регулирование осуществляют на основании информации о входных величинах. При этом отсутствует обратная связь между выходными и входными величинами. Разомкнутые АСР подразделяют на системы с жесткой программой и системы с регулированием по возмущению. Примером системы с жесткой программой может служить система автоматического пуска и остановки комплекса машин, в которой должна выдерживаться определенная последовательность работы отдельных механизмов.

Системы регулирования по возмущению используют информацию о входных величинах (возмущениях) и принимают меры, чтобы указанные возмущения не влияли на выходную величину, т.е. компенсируют возникающие возмущения. Поэтому такие АСУ называют также системами с компенсацией возмущений (инвариантными).

3. По результатам работы в установившемся состоянии системы делятся на астатические и статические. В астатических системах регулируемая величина после окончания переходного процесса точно равна заданному значению (практически она может отличаться от заданного значения на некоторую малую величину, обусловленную нечувствительностью системы). В статических системах после окончания переходного процесса возникает разность между заданным и установившимся значениями регулируемой величины, которая называется статической ошибкой.

4. По числу регулируемых величин АСУ делятся на одномерные и многомерные (или многосвязные). Одномерные АСУ – это системы управления простейшими объектами с одной регулируемой величиной. В большинстве случаев АСУ регулируют несколько величин и являются многомерными. В многомерных системах можно выделить несколько каналов регулирования, в которых каждая регулируемая величина определяется одним регулирующим воздействием, а канал имеет свой регулирующий орган (положение которого практически не влияет на другие регулируемые величины), и тогда сложный объект как бы распадается на несколько одномерных объектов с одномерными АСР.

5. По характеру изменения регулирующих воздействий во времени АСУ и АСР делятся на непрерывные и прерывистые (дискретные). В непрерывных АСР работают регуляторы, которые реализуют несколько типовых непрерывных законов (алгоритмов) регулирования: пропорциональный (П-закон), интегральный (И-закон), пропорционально-интегральный (ПИ-закон) и пропорционально-интегрально-дифференциаль-ный (ПИД-закон).

В дискретных АСУ информация и регулирующие воздействия появляются только в определенные моменты времени, т.е. в системе существует минимум один элемент, в котором при наличии непрерывного изменения входной величины выходная величина изменяется прерывисто (скачкообразно) или существует только в определенные (дискретные) моменты времени. Дискретные АСУ подразделяют на релейные, импульсные и цифровые.

В релейных системах один из элементов, обычно регулятор, имеет релейную характеристику, когда выходная величина скачкообразно изменяется при определенном значении входной величины.

В импульсных АСУ присутствует минимум один элемент с импульсной характеристикой, т.е. когда при непрерывном изменении входной величины выходная величина появляется только в определенные дискретные моменты времени.

К дискретным АСУ относятся также цифровые системы, в которых используются цифровые устройства: цифровые регуляторы (контроллеры), созданные на базе микропроцессорной техники, цифровые измерительные приборы.

6. По виду энергии, применяемой для работы, АСУ и АСР делят на системы прямого и косвенного действия. В системах прямого действия используется внутренняя энергия системы, например, энергия чувствительного элемента в регуляторах прямого действия. В системах косвенного действия используется внешняя по отношению к системе энергия и по виду этой энергии АСУ подразделяют на гидравлические, пневматические и электрические.

7. По виду дифференциального уравнения различают линейные и нелинейные АСУ. К линейным относятся системы, поведение которых описывается линейными дифференциальными уравнениями. Поскольку систем, абсолютно точно описываемых линейными дифференциальными уравнениями, практически не существует, то к линейным системам относятся так называемые линеаризованные системы, описываемые линейными дифференциальными уравнениями приближенно, при определенных допущениях и ограничениях. К нелинейным АСУ относятся системы, поведение которых описывается нелинейными дифференциальными уравнениями.