1. Основные определения теории автоматического управления
Кибернетика — наука об общих закономерностях процессов управления — основывается на изучении объектов управления при внешних воздействиях, получении информации о протекании процессов в этих объектах и выработке управляющих воздействий, обеспечивающих оптимальное в определенном заданном смысле состояние объектов.
В настоящем курсе в качестве объектов управления рассматриваются технические устройства и в первую очередь наиболее простые. Наука об управлении техническими системами называется технической кибернетикой.
Автоматическим регулированием называется поддержание постоянной или изменение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс, осуществляемое при помощи измерения состояния объекта или действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта.
Под автоматическим управлением понимается автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.
Управление каким-либо объектом — это процесс воздействия на него с целью обеспечения требуемого течения процессов в объекте или требуемого изменения его состояния. Основой управления является получение и обработка информации о состоянии объекта и внешних условиях его работы для определения воздействий, которые необходимо приложить к объекту, чтобы обеспечить достижение цели управления.
Техническое устройство, с помощью которого осуществляется автоматическое управление объектом, называется управляющим устройством (прибором, системой или комплексом). Совокупность объекта управления и управляющего устройства образует систему автоматического управления (САУ) или автоматическую систему управления.
Объект управления (ОУ) – устройство (система), осуществляющее технический процесс и нуждающееся в специально организованных воздействиях извне для осуществления его алгоритма функционирования.
Объектами управления являются, например, как отдельные устройства электрической системы (турбогенераторы, силовые преобразователи электрической энергии, нагрузки), так и электрическая система в целом.
Алгоритм управления – совокупность предписаний, определяющая характер воздействий извне на объект управления, обеспечивающих его алгоритм функционирования.
Примерами алгоритмов управления являются алгоритмы изменения возбуждения синхронного генератора и расхода пара в их турбинах с целью компенсации нежелательного влияния изменения нагрузки потребителей на уровни напряжения в узловых точках электрической системы и частоту этого напряжения.
Устройство управления (УУ) – устройство, осуществляющее в соответствии с алгоритмом управления воздействие на объект управления.
Примерами устройств управления являются автоматический регулятор возбуждения (АРВ) и автоматический регулятор частоты вращения (АРЧВ) синхронного генератора.
Автоматическая система управления (САУ) – совокупность взаимодействующих между собой объекта управления и устройства управления.
Таковой, например, является автоматическая система возбуждения синхронного генератора, содержащая взаимодействующие между собой АРВ и собственно синхронный генератор.
Рис. 1.1. Блок-схема (а) и функциональная схема (б) системы автоматического управления
О — объект управления, УУ — управляющее устройство. Состояние объекта характеризуется выходной величиной X. В общем случае выходных величин несколько, и тогда состояние объекта характеризуется вектором X, координатами которого являются отдельные выходные величины.
От управляющего устройства на вход объекта поступает управляющее воздействие (управление) U. Помимо управляющего воздействия к объекту приложено также возмущающее воздействие (возмущение, помеха) F, которое изменяет состояние объекта, т. е. X, препятствуя управлению. На вход управляющего устройства подается задающее воздействие (задание) G, содержащее информацию о требуемом значении X, т. е. о цели управления. Переменные U, G и F в общем случае являются векторами, как и X.
ЧУ - чувствительное устройство, ВУ - вычислительное устройство, ИУ - исполнительное устройство.
Чувствительные устройства (измерительные устройства) служат для измерения переменных X, G и F.
Вычислительное устройство реализует алгоритм работы управляющего устройства, соответствующим образом перерабатывая поступающую от чувствительных устройств входную информацию. В простейшем случае оно осуществляет простые математические операции, такие, как операция сравнения, определяющая разность X — G, операции интегрирования, дифференцирования, статического нелинейного преобразования и т. п. В более сложных случаях вычислительное устройство может представлять собой вычислительную машину и даже комплекс таких машин.
Исполнительные устройства предназначены для непосредственного управления объектом, т. с. изменения его состояния в соответствии с сигналом, выдаваемым вычислительным устройством.
Помимо перечисленных выше частей, в состав управляющего устройства могут входить различные специальные устройства, например преобразователи, служащие для согласования отдельных частей системы, устройства связи и т. п.
2. Разомкнутые, замкнутые и комбинированные системы.
В разомкнутых САУ выходная величина объекта X не измеряется, т. е. нет контроля за состоянием объекта. Разомкнутыми такие системы называются потому, что вследствие этого в них отсутствует обратная связь между выходом объекта и входом управляющего устройства, при наличии которой объект и управляющее устройство образуют замкнутый контур.
Возможны разомкнутые САУ, в которых управляющее устройство измеряет только одно задающее воздействие G, одно возмущение F и, наконец, оба эти сигнала одновременно.
В замкнутых САУ на вход управляющего устройства подаются задающее воздействие G и выходная величина объекта X. Исходя из величины G, управляющее устройство определяет соответствующее требуемое значение X и, имея информацию о текущем значении X, обеспечивает необходимое соответствие между X и G путем воздействия на объект.
В такой САУ управляющее устройство стремится ликвидировать все отклонения X от его значения, определяемого заданием С, независимо от причин, вызвавших эти отклонения, включая любые возмущения, внешние и внутренние помехи, а также изменения параметров системы.
Эти системы могут обеспечить принципиально неограниченную точность управления и представляют собой основной тип САУ. Основным содержанием настоящей книги является изучение именно замкнутых САУ. Везде ниже, где говорится о системах автоматического управления без уточнения их типа, будет подразумеваться замкнутая система.
Комбинированные САУ представляют собой объединение в одну систему замкнутой системы управления по отклонению и разомкнутой системы управления по внешнему воздействию.