Лекция № 1 Основные понятия и определения теории автоматического управления
ТАУ как наука была определена лишь в 40-х годах нашего столетия. Отдельные разделы ТАУ, такие как теория устойчивости технических систем и качество регулирования отдельных параметров технологических процессов были разработаны во многих странах еще в середине прошлого века.
Первые автоматы использовались человеком на заре своего существования. Например, капкан для охоты на диких животных является механическим самодействующим устройством и может быть отнесен к классу автоматов.
Автоматы в начальной производственной деятельности человека применялись при переработке добытых плодов природы, например, при стабилизации скорости вращения мельничных колес. Из-за колебаний уровня в реке количество падающей на мельничное колесо воды изменялось, что приводило к нежелательной неравномерности скорости вращения колеса. Для того чтобы стабилизировать скорость вращения колеса, на водоводных лотках устанавливали заслонки, соединенные с поплавками. При подъеме уровня воды в реке поплавки всплывали и прикрывали заслонки, которые ограничивали поток воды, падающей на мельничное колесо, и скорость вращения колеса практически не изменялась.
В данном случае применен принцип отрицательной обратной связи, которая компенсирует возникающие в процессе нормальной работы мельницы нежелательные возмущающие воздействия. Этот принцип используется во всех современных системах управления и обеспечивает успех функционирования автомата без непосредственного участия человека в его нормальной работе.
В настоящее время теория автоматического управления (ТАУ) представляет собой раздел технической кибернетики, которая входит в состав обобщающей науки КИБЕРНЕТИКИ.
Как самостоятельная наука КИБЕРНЕТИКА была сформулирована в 1948 году Нобертом Винером в книге "Кибернетика или наука об общих законах управления в живых организмах и машинах".
Задачами ТАУ являются анализ и синтез СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ (САУ) с заданными пользователем свойствами.
К основным понятиям ТАУ относят такие как СИСТЕМА, ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ, УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, ЗАКОН УПРАВЛЕНИЯ.
Под СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ в ТАУ понимают совокупность объекта управления и управляющего устройства, взаимодействующих между собой для достижения поставленной проектировщиком цели.
ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ - это элемент системы управления, на который оказывается управляющее воздействие. В качестве объекта в САУ может быть машина, технологический процесс, производственный комплекс и т.п.
УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО - это элемент САУ, который на основе анализа складывающейся ситуации и желательного ее состояния формирует закон управления и осуществляет управляющее воздействие. В качестве управляющего устройства может служить реле, электронный усилитель, вычислительное устройство или ЦВМ.
ЗАКОН УПРАВЛЕНИЯ - это алгоритм, характеризующий последовательность целесообразных управляющих воздействий на объект управления.
Под УПРАВЛЯЮЩИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ понимают целесообразную подачу на объект управления информации, энергии или вещества.
В процессе нормального функционирования САУ ее элементы должны выполнять следующие функции:
1. ОУ - объект управления преобразует поступающий на его вход поток информации, энергии или вещества в изменение своего состояния, которое характеризуется одним или несколькими физическими величинами;
2. Д - датчик преобразует физическую величину, характеризующую состояние объекта управления, в сигнал, удобный для дальнейшего использования;
3. З - задатчик генерирует сигнал, пропорциональный желаемому состоянию объекта управления;
4. И - измеритель осуществляет сравнение сигнала о действительном состоянии объекта управления с принятой для этого единицей измерения. Этот элемент необходим только для контроля работы системы и непосредственно в процессе управления не участвует;
5. ЭС - Элемент сравнения производит алгебраическое сложение сигналов о действительном и желаемом состояниях объекта управления;
6
.
УУ - управляющее устройство формирует
сигнал, отображающий закон управления.
7. ИМ - исполнительный механизм усиливает сигнал о законе управления до величины, достаточной для воздействия на поток информации, энергии или вещества к объекту управления;
8. РО - регулирующий орган изменяет поток информации, энергии или вещества к объекту управления в соответствии с законом управления.
Схематично выполнение перечисленных функций можно представить следующим образом.
Рис. 1.1. Функциональная схема системы автоматического управления
1 – управляемая часть САУ;
2 – управляющая часть САУ;
X - физическая величина, характеризующая состояние ОУ;
Xs - сигнал пропорциональный состоянию ОУ;
Xi - сигнал оценки состояния ОУ;
Xg - сигнал желаемого состояния ОУ;
dX = Xg - Xi - разность сигналов пропорциональных желаемому и
действительному состояниям ОУ (рассогласование);
Uz - сигнал пропорциональный закону управления;
N - усиленный сигнал закона управления;
U - управляемый поток информации, энергии или вещества к ОУ.
Рис. 1.2. Пример реальной САУ температуры
Р - реостат; Ус - усилитель; РЭ - релейный элемент; КР - контакты релейного элемента; нагр. - нагреватель; ТР - терморезистор; (Х) - мостовая схема сравнения сопротивлений задающего реостата и терморезистора - датчика температуры; tg - сопротивление реостата; ts - сопротивление терморезистора; t - температура нагревателя; dt - разность сопротивлений Р и ТР; Uz - напряжение пропорциональное разности сопротивлений; N - усилие развиваемое катушкой релейного элемента; U - напряжение, подаваемое на нагреватель для увеличения его температуры.
Лекция № 2