2. Понятие об автоматическом управлении

Электронные системы управления предназначены, прежде всего, для облегчения действий водителя, возможности использования неквалифицированного персонала при управлении автомобилем, снижения расхода топлива и вредных выбросов, повышения безопасности движения и комфорта.

Так, например, система автоматического включения света фар при ухудшении освещения дороги избавляет водителя от необходимости контролировать видимость дороги, совершать действия по включению приборов освещения при въезде в туннель, повышает безопасность при движении в сумерках и в темное время суток.

Кроме того, очень часто реакция на событие, требующее воздействия водителя, должна занимать значительно меньше времени, чем то время, которым располагает водитель. Зачастую он должен одновременно анализировать показания нескольких приборов и ситуации на дороге, уметь принять единственно верное решение, управлять практически одновременно несколькими агрегатами (газ, тормоз, сцепление, рулевое управление, указатели поворотов, щетки стеклоочистителей, насос омывателя стекол и т.д.). В таком случае участие человека в управлении процессами лучше исключить полностью или частично, для чего применяются средства автоматики. Эти средства не только облегчают умственный или физический труд водителя, но и полностью или частично заменяют его при управлении автомобилем.

Так, например, при угрозе столкновения или грубого схода с трассы, водитель инстинктивно с большим усилием давит на педаль тормоза, и, если автомобиль не имеет устройств автоматики, обеспечивающих торможение без проскальзывания колес, то возможен занос автомобиля и его увод от желаемой траектории, что грозит тяжелыми последствиями, как для автомобиля, так и для водителя и пассажиров.

Кроме того, очень часто водитель в принципе не может осуществлять оперативные регулировки режима работы двигателя, например, при езде на различной высоте от уровня моря или при изменении температуры окружающей среды. В первом случае водитель при движении на подъеме или спуске должен время от времени регулировать состав горючей смеси, а во втором случае – несколько раз проделывать это в течение суток.

Автоматическое управление любым процессом невозможно без использования датчиков – элементов автоматики, преобразующих различные физические величины (размеры, массу, давление, температуру, положение в пространстве, скорость, уровень, плотность, влажность и т.д.) в некоторый сигнал, удобный для последующей обработки в автоматическом устройстве или ЭВМ. Этот сигнал после получения обрабатывается: сравнивается с другими сигналами, анализируется его уровень и изменения во времени.

В результате обработки информационных сигналов вырабатываются исполнительные сигналы, которые и воздействуют на управляемый процесс. Эти сигналы в исполнительных элементах автоматики преобразуются в механическое или электрическое воздействие, перемещающее исполнительный элемент, производящий включение электросилового механизма и т.д. При необходимости исполнительный сигнал усиливается.

Таким образом, системы автоматики состоят из датчиков, усилительно – преобразовательных и исполнительных элементов (рис. 1).

Рис. 1. Пример простейшего автоматизированного привода насоса омывателя стекол в функции от степени их загрязненности

Электрический сигнал является очень удобным для систем автоматики по следующим причинам:

Может передаваться на большие расстояния практически без искажения, особенно при передаче в закодированном виде (например, в двоичной системе).

Энергию электрического сигнала легко преобразовать в другие виды энергии, например, в тепловую или механическую.

Электрический сигнал легко обрабатывать, анализировать и усиливать.

В связи с этим электрическое управление системами автоматики нашло широкое применение не только в автомобильной автоматике, но и при автоматизации производственных процессов в бытовых устройствах: датчик температуры в холодильнике и утюге, различные реле и автоматические переключатели в магнитофонах и радиоприемниках и т.д.

Состав систем автоматики

Основное назначение системы автоматики – это получение информации об управляемом процессе, ее обработка и использование для формирования управляющего воздействия на процесс.

В зависимости от назначения различают следующие автоматические системы:

1. Системы автоматической сигнализации. Извещают водителя о состоянии систем автомобиля.

2. Системы автоматического контроля. Без участия водителя осуществляют контроль различных параметров и величин, характеризующих работу какого-либо агрегата автомобиля.

3. Системы блокировки и защиты. Предотвращают возникновение аварийных ситуаций.

4. Системы автоматического пуска и остановки. Включают и останавливают различные приводы, при необходимости реверсируют направление движения рабочих органов по заранее заданной программе.

5. Системы автоматического управления. Осуществляют управление теми или иными агрегатами или процессами.

Важнейшей функцией системы автоматического управления является управлениекак таковое. В широком смысле словауправление– это организация какого-либо процесса, обеспечивающего достижение поставленной цели. Управление осуществляется путем получения, хранения, анализа и преобразования исходной информации в сигнал, подлежащий исполнению. Подобные процессы изучаеткибернетика. Таким образом, изучение систем автоматики является одной из задач кибернетики.

Системы управления содержат технические средства, с помощью которых осуществляется выполнение заданных функций. Эти средства называютсяэлементамиавтоматики. Каждый элемент имеет свое назначение.

Рассмотрим (рис. 1) общую функциональную схему системы автоматического регулирования (сокращенно – САР).

Рис. 1. Функциональная схема системы автоматического регулирования

• y(t)– функция, описывающая изменение во времени регулируемой величины, то есть –регулируемая величина;

• g(t)- функция, характеризующая требуемый закон изменения регулируемой величины, назовем еезадающим воздействием;

• Д –датчик, измеряющий контролируемую величину;

• ДЗ– датчик задания, вырабатывающий сигнал задания (задающее воздействие);

• ЭС– элемент сравнения;

• У– усилитель сигнала;

• ИЭ– исполнительный элемент;

• ОР– объект регулирования.

Основная задача САР сводится к обеспечению равенства g(t)=y(t). Большинство САР решают эту задачу, используя регулирование по отклонению. То есть при регулировании стараются сократить разность= g(t)-y(t).

Суть принципа такого регулирования заключается в следующем. Регулируемая величина y(t)измеряется с помощью датчикаДи поступает на элемент сравненияЭС. На этот же элемент сравнения от датчика заданияДЗпоступает задающее воздействиеg(t). В элементе сравненияЭСвеличиныg(t) и y(t)сравниваются, то есть вычисляется отклонение= g(t)-y(t). На выходеЭСформируется сигнал, равный этому отклонению, то есть равный ошибке управления. Этот сигнал усиливается усилителемУи подается на исполнительный элементИЭ, который оказывает регулирующее воздействие на объект регулированияОР. Это воздействие будет производиться до тех пор, пока регулируемая величинаy(t)с заданной точностью не приблизится к заданнойg(t).

На объект регулирования постоянно действуют какие-либо внешние возмущения. Например, если объектом регулирования является гидроцилиндр, с помощью которого мы должны перемещать некоторую массу с заданной скоростью (регулируемая величина y(t)), то такими возмущениями будут силы инерции и силы трения. Эти возмущения стремятся изменить заданную скорость перемещения (задаваемая величинаg(t)), и в задачу САР входит сделать разность между этими величинами как можно меньше, приблизить ее к нулю.

По своему назначению элементы, входящие в состав САР разделяются на чувствительные, усилительные и исполнительные.

Датчикиявляются чувствительными элементами. Они измеряют регулируемую величину объекта регулирования и вырабатывают на выходесигнал, пропорциональный этой величине. Входной величиной датчика может быть в принципе любая физическая величина: перемещение, давление, температура, расход, влажность, усилие и т.д.

Датчик может использоваться и для формирования задающего воздействия. В этом случае входной сигнал может поступать от какого-либо механического, электрического или электронного устройства, от ЭВМ, с перфорированной или магнитной ленты.

Контрольные вопросы

1. Для чего используются электронные системы управления автомобилем?

2. Для чего используются средства автоматики?

3. Что такое «датчики», и какие функции они выполняют в системах автоматического управления?

4. Из чего состоят системы автоматики?

5. В чем преимущество электрического сигнала?

6. Какие Вы знаете автоматические системы?

7. Что такое «управление»?

8. Нарисуйте схему автоматического управления с обратной связью и поясните ее работу.