Проблемы автоматического управления.

Процессы, выполняемые человеком для удовлетворения различных потребностей, представляют собой организованную совокупность действий – операций, которые делят на 2 класса: рабочие операции и операции управления.

Рабочие операции – действия, необходимые для выполнения процесса с теми природными законами, которыми определяется ход процесса. (Например, вращение вала двигателя.)

Замену труда человека в рабочих операциях называют механизацией, цель которой освобождение человека от тяжелых физических операций или от вредных операций.

Для правильного и высококачественного выполнения рабочих операций их необходимо направлять действиями другого рода – операциями управления, которые обеспечивают в нужные моменты времени начало, порядок следования, прекращение отдельных операций, обеспечивают выделение необходимых для их выполнения ресурсов, задают нужные параметры самому процессу.

Совокупность таких операций управления образует процесс управления.

Операции управления также частично или полностью могут выполнять технические устройства. Замену труда человека в организациях управления называют автоматизацией, а технические устройства, при этом выполняющие операции управления, называют автоматическими устройствами.

Совокупность технических средств – машин, орудий труда, средств механизации – является объектом управления.

Совокупность средств управления и объектов управления образуют систему управления.

Система, в которой все рабочие и управляющие операции выполняют автоматические устройства, называются автоматической системой.

Система, в которой автоматизирована только часть операций, называют автоматизированной системой.

Всякий технический процесс характеризуется совокупностью физических величин, называемых показателями, координаторами или параметрами процесса.

Для осуществления управления и построения управляющих систем надо знать:

1. конкретные знания данного процесса, его технологии;

2. знание принципов и методов управления, общих для разных объектов и процессов.

Специальные знания дают возможность установить, что и как следует изменить в системе, чтобы получить требуемый результат. Будем считать, что все это задано технологами, и будем изучать только общие законы и методы управления и способы их реализации.

При автоматизации возникает необходимость в различных видах операций управления. К одному из видов относятся операции начала (включения), прекращения (отключения) данной операции и перехода от одной к другой (переключения).

Другая группа операций связана с контролем за координатами с целью установления, не вышли ли они за допустимые границы.

Для правильного и высококачественного ведения процесса управляемые координаты должны поддерживаться в определенных границах или изменяться по определенному закону. Поэтому третью группу операций управления – операции по поддержанию заданного закона изменения координат – изучают в теории автоматического управления.

Необходимость в управлении значениями координат возникает в том случае, когда нормальный ход процесса нарушается из-за различного рода возмущений, то есть колебаний нагрузки, воздействий внешней среды или внутренних помех.

Представим объект управления в виде прямоугольника

Z1 Z2 ... Zl U1 X1 U2 уо X2 Um Xn

X={X₁,X₂,...,Xn} - совокупность управляемых координат процесса.

Z={Z₁, Z₂,...,Z_l} - возмущающие воздействия

U={U₁,U₂,...,Um} -управляющие воздействия, прикладываемые к управляющему органу объекта УО, с помощью которого можно изменить координаты Х.

Величины X,U и Z в зависимости от природы объекта связаны различными математическими зависимостями.

В общем случае

Z U уо X

Х= А(Z,U) ,

где А – оператор, определяющий вид зависимости.

В простейшем случае, когда это обычная функциональная зависимость:

X=F(Z,U)

Объект называют статическим, а эту зависимость или ее график – статической характеристикой объекта.

Если объект обладает инерцией, то изменения координат под воздействием возмущений Z или управлений U происходит не мгновенно и в этом случае объект называют динамическим.

Изменение координат в нормальном ходе процесса определяется совокупностью правил или математических зависимостей, называемой алгоритмом функционирования системы. В ТАУ его считают заданным.

Алгоритм управления будет зависеть как от алгоритма функционирования, так и от динамических свойств системы.

Принципы управления.

Зная статические и динамические свойства управления системы, можно построить математическую модель системы и найти такой алгоритм управления, который обеспечивает заданный алгоритм функционирования при известных, заданных воздействиях. Однако и при найденном алгоритме управления фактическое поведение системы будет отличаться от желаемого. Чтобы приблизить к требуемому, алгоритм управления надо увязать не только со свойствами системы и алгоритмом функционирования, но и с фактическим функционированием системы.

В основе построения системы автоматического управления лежат принципы управления, которые определяют, как осуществляется увязка алгоритмов функционирования и управления с фактическим функционированием или причинами, вызывающими отклонение.

В настоящее время используют три принципа:

• разомкнутого управления;

• компенсации;

• обратной связи.

Принцип разомкнутого управления.

Алгоритм управления вырабатывается на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируется другими возмущениями или выходными координатами процесса. Принцип очень простой и широко используется.

Принцип компенсации (управление по возмущению).

В некоторых случаях для повышения точности иногда возможно, измерив, возмущение, ввести по результатам измерения коррективы в алгоритм управления, которые компенсировали бы вызываемые возмущениями отклонения алгоритма функционирования.

Принцип обратной связи.

Можно обеспечить точность выполнения алгоритма функционирования и без измерения возмущений. Для этого вводят дополнительную цепь, называемую цепью обратной связи.