2. Основные понятия и определения автоматического управления
2.1. Объект автоматического управления и его
кибернетическая модель
Объект автоматического управления в технике – это техническое устройство или совокупность устройств, которым необходимо управлять в автоматическом режиме, чтобы оно выполняло свойственные ему функции. Простейшими примерами таких объектов являются резервуар, в котором поддерживают заданный уровень жидкости, двигатель постоянного тока, в котором управляют скоростью вращения вала, печи, в которых поддерживают заданную температуру, и т.д.
Состояние объекта определяется рядом величин, характеризующих как воздействие на объект внешней среды и управляющих устройств, так и протекание процессов внутри самого объекта. Одни из этих величин измеряются в процессе работы и называются контролируемыми. Другие, влияющие на режим работы объекта, не измеряются и называются неконтролируемыми.
Величины, выражающие внешнее влияние
на объект, называются воздействиями.
Воздействия, вырабатываемые управляющим
устройством или задаваемые человеком,
называются управляющими воздействиями
.
Воздействия на объект, не зависящие от
системы управления, называются
возмущениями. Их разделяют на два вида:
а) нагрузка
;
б) помехи
.
Наличие изменяющейся во времени нагрузки обусловлено работой объекта. От неё объект принципиально не может быть защищён. Помехи же бывают связаны с побочными нежелательными явлениями, и всякое их уменьшение улучшает работу объекта.
Контролируемые величины, характеризующие
состояние объекта, по которым ведётся
управление, называются управляемыми,
или регулируемыми величинами
.
Обычно регулируемые величины в той или
иной степени характеризуют качественные
показатели процесса в управляемом
объекте.
Воздействие на объект и состояние объекта можно схематично представить кибернетической моделью так называемого «чёрного ящика» (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Кибернетическая
модель:
– совокупность
контролируемых и неконтролируемых
величин, однозначно характеризующих
состояние объекта;
–
неконтролируемые воздействия (помехи);
–
контролируемые воздействия (нагрузка);
–
управляемые величины;
–
управляющие величины
Отдельные координаты векторов и могут совпадать. Координаты векторов и называют, соответственно, управляющими и управляемыми координатами. Координаты векторов и называют координатами внешних воздействий. Координаты вектора называют координатами состояния. Эти понятия можно пояснить примером простого объекта управления в виде резервуара с жидкостью (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Резервуар
с жидкостью: Q
– приток воды – управляющее воздействие
;
H
– уровень воды – управляемая величина
;
G
– расход воды – внешнее возмущение
нагруз- ки
Если известно математическое описание объекта, то известна и система уравнений, связывающая управляемые величины со всеми внешними воздействиями на объект ( , , ). При известных начальных условиях эта система уравнений даёт возможность по внешним воздействиям , , найти вектор состояния и выходные управляемые величины . Если объект характеризуется одной управляющей и одной управляемой величиной, т.е. векторы и имеют по одной координате, то объект называется простым, или односвязным. При наличии нескольких взаимосвязанных координат векторов и объект называется многосвязным.