Особые свойства систем управления

Переменное усиление. Из рис. 15.6, Б очевидно, что чем точнее поддерживается управляемая переменная на уровне рабочего значения, тем более пологой является характеристическая кривая данной системы. В технических устройствах наклон такой кривой обычно называется усилением или коэффициентом усиления (gain). Чем больше усиление, тем точнее осуществляется регуляция (ср. раздел о коэффициенте регуляции, с. 61). Для того чтобы объяснить это свойство системы управления, блоксхема, показанная на рис. 15.2, А, должна быть модифицирована и иметь вид блок-схемы, подобной той, что представлена на рис. 15.7, А.

Выше отмечалось (рис. 15.4), что при высоком коэффициенте усиления повышается риск возникновения колебаний, особенно если имеются задержки в потоке информации к контроллеру и от него (что проявляется, например, в наличии мертвого времени при реакции на ступенчатое воздействие: t₀ на рис. 15.4, Д). Для гарантии стабильной регуляции

должен поэтому существовать верхний предел коэффициента усиления, чтобы была исключена возможность возникновения незатухающих колебаний управляемой переменной. Вместе с тем, когда необходимо изменить управляемую переменную, и особенно на ранних этапах этого изменения, например в начале реакции на ступенчатое воздействие (см. рис. 15.4 и 15.5), полезен высокий коэффициент усиления, чтобы компенсировать задержки и баллистическую силу инерции в управляемой системе (для этого мышцы должны сократиться). Имеет смысл, чтобы коэффициент усиления был настраиваемым, т.е. удовлетворял различным требованиям в различных ситуациях при работе системы управления.

Можно показать, что в спинальной системе управления у человека действительно существует переменный коэффициент усиления, который уменьшается, главным образом, посредством торможения на уровне α-мотонейроиа,что в результате приводит к уменьшению угла наклона кривых характеристических функций системы управления (линии 3 на рис. 15.6). Иными словами, торможение Реншоу, аутогенное торможение (инициируемое афферентами Ib) и антагонистическое торможение можно интерпретировать как механизмы уменьшения коэффициента усиления. Супраспинальные влияния также непрерывно изменяют коэффициент усиления системы управления для рефлекса растяжения.

Опережающее управление. Качество работы цепей управления может улучшаться, если сигналы о тех внешних возмущениях, которые возникают достаточно часто и оказывают известное воздействие на систему, поступают непосредственно в контроллер (рис. 15.7, Б). В частности, с помощью

Рис.15.7. Варианты систем управления. А. Блок-схвма, отличающаяся от схемы на рис. 15.2,А тем, что содержит символ, означающий переменный коэффициент усиления контроллера. Б. Схема, в которой сигналы о возмущениях передаются непосредственно на контроллер, так что компенсаторное действие может выполняться до того, как возмущение повлияет на управляемую переменную

ГЛАВА 15. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РЕГУЛЯЦИИ 341

такого прямого мониторинга улучшается функция системы с замедленной реакцией, поскольку в этом случае возмущение может быть скомпенсировано до того, как оно вызовет заметные изменения управляемой переменной.

Известный пример из техники-использование наружного температурного датчика в системе центрального отопления. Такой датчик непрерывно посылает сигналы на контроллер отопительной системы. Как известно, тепловые потери дома увеличиваются пропорционально разнице между температурами внутри него и снаружи, поэтому информация от наружного датчика может быть учтена при электронной установке управляющего сигнала с помощью контроллера. Регулирование может быть начато до того, как температура внутри здания начнет существенно изменяться, и в результате температура в помещениях будет сохраняться более близкой к постоянному уровню.

Принцип опережающего управления используется также и в биологических системах управления. Известный пример -терморегуляция (см. гл. 25). В данном случае эквивалентом наружного датчика служит сеть кожных терморецепторов. Когда организм подвергается внешнему холодовому воздействию, кожные холодовые сенсоры сигнализируют об этом в центр управления температурой тела, расположенный в гипоталамусе. Вскоре начинается терморегуляторная реакция на холод. Например, может увеличиться тонус мышц и возникнуть дрожь, при этом для улучшения тепловой изоляции уменьшается кровоток в области кожи. Такой опережающий процесс управления начинается несмотря на то, что нет никаких изменений температуры внутри организма, и, следовательно, температурные сенсоры в гипоталамусе не возбуждаются.

Если обратиться к управлению движением, то влияние вестибулярного органа и зрительной системы на спинальные мотонейроны можно рассматривать как вид прямого воздействия возмущающих факторов. Таким же образом можно интерпретировать увеличение (облегчение) рефлекса растяжения разгибателей ног в методике Ендрассика (Jendrassik). Действительно, если испытуемый стоит и на его руки внезапно начинает действовать внешняя сила (например, при подъеме груза или за счет толчка руками стоящего напротив человека), то нагрузка, действующая на разгибатели ног, всегда увеличивается. Регуляция длины этих мышц, позволяющая сохранять неизменной позу стояния на двух ногах, улучшается за счет непосредственного обеспечения контроллера длины информацией о двигательной команде на конечности.