Производственным процессом называют последовательную во времени смену состояний системы, (комплекса производственного оборудования) осуществляющей воздействие на объект труда. При этом имеется в виду такая смена состояний, при которой реализуются те функции, для выполнения которых система предназначена.

Цель управления – достижение объектом управления желаемого состояния или положения, т.е. независимо от характера процесса целью управления является поддержание в заданных пределах всех условий, необходимых для получения выходной продукции желаемого качества и требуемых количествах. Управление должно обеспечивать максимально экономическую эффективность технологического процесса и минимальное вредное воздействие на окружающую среду.

Технологический процесс - это неустойчивая система, которая требует постоянного контроля и корректировки отклонений от нормального режима. Сложность управления технологическим процессом заключается в постоянном изменении динамических характеристик.

Чтобы появилась возможность управлять объектом, необходимо:

• наличие набора правил, позволяющих достигать поставленной цели, т.е. алгоритма управления;

• устройства управления, способного работать в соответствии с алгоритмом.

 Система управления — это соединение отдельных элементов в определенную конфигурацию, обеспечивающую заданные характеристики.

Пассивные элементы — это такие элементы, у которых входное воздействие (сигнал) х преобразуется в выходное воздействие (сигнал) у за счет энергии входного сигнала (например, это редуктор в механической системе). Активные элементы — это такие элементы, которые получают энергию от вспомогательного источника (например,  это усилители,  двигатели).

Воспринимающие элементы или первичные преобразователи (датчики) измеряют управляемые величины технологических процессов и преобразуют их.

 Датчики воспринимают поступающую на их вход информацию об управляемой величине ОУ и преобразуют ее в форму, удобную для дальнейшего использования в устройстве автоматического управления. Большинство датчиков преобразуют входной неэлектрический сигнал х в электрический сигнал у.

 В зависимости от вида неэлектрического входного сигнала датчики делятся на дат­чики механических величин (перемещение, скорость, ускорение), тепловых величин, оптических величин и др. Нередко применяются датчики с двойным преобразованием: входной сигнал преобразуется сначала в перемещение, а затем перемещение в электрический сигнал.

Измерительное устройство или датчик состоит из двух частей – измерительной головки и преобразователя, выходной сигнал датчика есть выходной сигнал преобразователя. В большинстве управляющих систем этот выходной сигнал обычно – и предпочтительно – электрический. Главное достоинство электрических датчиков – это гибкость и разнообразие способов обработки сигнала, особенно то что электрический сигнал можно передавать на большие расстояния с очень малыми затратами энергии.

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают:

1. датчики механических перемещений (линейных и угловых);

2. пневматические;

3. электрические;

4. расходомеры;

5. датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические:

1. датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения);

2. датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения);

3. датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения);

4. датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено сле­дующими достоинствами электрических измерений:

• электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

• электрические величины универсальны в том смысле, что любые дру­гие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот,

• они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть вы­сокой точности, чувствительности и быстродействия средств измере­ний.

По принципу действия датчики можно разделить на два класса:

1. Параметрические датчики питаются от источника энергии и изменяют свои параметры (сопротивление, индуктивность, ёмкость) при изменении входного измеряемого воздействия, вследствие чего изменяется их выходной сигнал.

2. Генераторные датчики преобразуют энергию входного измеряемого воздействия в энергию выходного сигнала датчика.

По виду измеряемой величины различают датчики положения, скорости, давления, температуры, электрического тока, электрического напряжения и других измеряемых величин.

Усилитель  - устройство, в котором осуществляется увеличение энергетических параметров  входного (управляющего) сигнала (воздействия) за счет использования энергии вспомогательного (управляемого) источника.

Реле́ (фр. relais) — электрическое устройство (выключатель), предназначенное для замыкания и размыкания различных участков электрических цепей при заданных изменениях электрических или неэлектрических входных величин. Различают электрические, механические и тепловые реле.

Реле—это элементы автоматики, у которых изменение выходного сигнала у происходит скачком (дискретно) при достижении входным сигналом х определенного значения, называемого уров­нем срабатывания. Мощность входного сигнал х, вызывающего срабатывание реле, значительно меньше мощности, которой может управлять реле, поэтому реле можно рассматривать и как усилительный, и как исполнительный элемент. Реле часто используются и как автоматически управляемые коммутаторы сигналов в многоканальных системах телемеханики, системах сбора и передачи данных, в комплексных системах автоматики, где обработка информации от десятков, сотен и даже тысяч датчиков осу­ществляется управляющим компьютером, в системах автоматического контроля, сигнализации, блокировки и т. д.

 Исполнительные устройства — это элементы автоматики, создающие управляющее воздействие  на объект управления. Они изменяют положение или состояние регулирующего органа объекта управления таким образом, чтобы управляемый параметр соответ­ствовал заданному значению. К исполнительным устройствам, создающим управляющее воздействие в виде силы или вращающего момента, которое изменяет положение регулирующего органа, относятся силовые электромагниты, электромагнитные муфты, двигатели. Двигатели в зависимости от вида используемой энергии могут быть электрическими, гидравлическими, пневматическими. В качестве исполнительных устройств, изменяющих состояние регулирующего органа, могут использо­ваться усилители и реле.     

Часто используемые устройства, называемые программируемые логические контроллеры (ПЛК=PLC), используются для чтения набора цифровых и аналоговых входов, выполнения программы управления, а также создания набора аналоговых и цифровых выходов.

Исполнительное устройство или механизм (actuator) преобразует электрическую энергию в механическую или в физическую величину для воздействия на управляе­мый процесс. Электродвигатели, управляющие "суставами" промышленного робота, есть исполнительные механизмы. В химических процессах конечными управляю­щими элементами могут быть клапаны, задающие расход реагентов.

В составе исполнительного устройства можно выделить две части:

1) во-первых, преобразователь (transducer) и/или усилитель (amplifier),

2) во-вторых: сило­вой преобразователь (convener) и/или исполнительный механизм (actuator). Преоб­разователь превращает входной сигнал в механическую или физическую величину, например электромотор преобразует электрическую энергию во вращательное движе­ние. Усилитель изменяет маломощный управляющий сигнал, получаемый от выход­ного интерфейса компьютера, до значения, способного привести в действие преобразователь. В некоторых случаях усилитель и преобразователь конструктивно составляют одно целое. Таким образом, некоторые конечные управляющие элементы могут представлять собой самостоятельную систему управления — выходной сигнал компьютера является опорным значением для конечного управляющего элемента.

В отличие от разомкнутой, в замкнутой системе производится измерение действите­льного значения выходного сигнала, которое затем сравнивается с его желаемым значе­нием. Измеренное значение выхода называют сигналом обратной связи.

 В замкнутой системе производится измерение выходной переменной и его резуль­тат в виде сигнала обратной связи сравнивается с эталонным входным сигналом, несущим информацию о заданном значении выходной переменной.

Систему можно определить как линейную, если воспользоваться действующим на нее возмущением и реакцией на это возмущение. В общем случае необходимым условием линейности системы является соответствующая связь между возмущением x(t) и реакцией y(t). Если к системе, находящейся в состоянии покоя, приложить возмущение x₁(t), то на выходе появится реакция y₁(t). Если при тех же условиях подвергнуть систему возмущению x₂(t), то она даст соответствующую реакцию y₂(t). Необходимым условием линейности является то, чтобы при возмущении x₁(t) + x₂(t) система давала реакцию y₁(t) + y₂(t). Это положение обычно называют принципом суперпозиции.

Линейными называются системы, подчиняющиеся принципу суперпозиции, который заключается в том, что реакция объекта на сумму входных сигналов равна сумме реакций на каждый сигнал в отдельности.

Свойство гомогенности

Кроме того, в линейной системе должен выполняться фактор масштабирования. Пусть входом системы является переменная x, а выходом – переменная y. Тогда необходимо, чтобы при умножении входной переменной на константу m реакция  (выходная переменная) системы изменилась в такое же число раз, т.е. оказалась равна m y. Это свойство носит название гомогенности.

Таким образом, линейная система удовлетворяет свойствам:  суперпозиции и гомогенности.

Сложность линейной системы передачи определяется ее порядком (то есть числом включенных в систему элементов, аккумулирующих энергию). Емкостно-резистивный  элемент, изображенный на рисунке 2, имеет один элемент аккумулирования энергии (а именно, конденсатор) и, таким образом, составляет систему 1-ого порядка. Если постоянное входное напряжение u_in приложено к цепи во время t = 0, то результатом для выходного напряжения u_out  будет кривая зарядки, известная для конденсатора и имеющая экспоненциальную форму.

Рис. 2 Управляемая система 1-ого порядка

Рис. 3 Управляемая система 2-ого порядка

Управляемая система – часть управляемого процесса или машины, в которой переменная процесса (PV) должна поддерживаться на значении предустановленной величины (SP) и в которой выходное управляющее воздействие компенсирует все возмущения. Входные переменные системы управления включают не только выходное управляющее воздействие, но и возмущающие воздействия. Динамический ответ системы (time response) - это временная характеристика выходной переменной (управляемая величина Х)  при изменении входной переменной У.

Сигнал определяется как напряжение или ток, который может быть передан как сообщение или как информация. По своей природе все сигналы являются аналоговыми, будь то сигнал постоянного или переменного тока, цифровой или импульсный. Тем не менее, принято делать различие между аналоговыми и цифровыми сигналами.

Непрерывный (аналоговый) сигнал – сигнал, который определен в любой момент времени.

Аналоговый сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.

Дискретный сигнал – сигнал, который определен лишь в некоторые моменты времени.

Дискретный сигнал - информационный сигнал. Сигнал называется дискретным, если он может принимать лишь конечное число значений.

Дискретный сигнал - сигнал, имеющий конечное число значений. Обычно сигналы, передаваемые через дискретные каналы, имеют два или три значения. Использование сигналов с тремя значениями обеспечивает синхронизацию передачи.

Для аналоговых сигналов наиболее распространены стандартные диапазоны постоянного напряжения -10..+10В и 0..+10В и постоянного тока 0..20мА и 4..20мА.  Теоретически нет ограничений на эти сигналы.

При исследовании АСУ и их элементов используют ряд стандартных сигналов, называемых типовыми воздействиями. Эти воздействия описываются простыми математическими функциями и легко воспроизводятся при исследовании АСУ. Использование типовых воздействий позволяет унифицировать анализ различных систем и облегчает сравнение их передаточных свойств. Наибольшее применение находят следующие типовые воздействия:

• ступенчатое;

• импульсное;

• гармоническое;

• линейное.

Под сигналом (в общем смысле этого слова) в дальнейшем будем понимать физический процесс, с заданной точностью отображающий сведения о состоянии изучаемого процесса или объекта и пригодный для его дальнейшей обработки и передачи на расстояние.

 Единичный скачок 1(t) называется также функцией Хевисайда.

Функция  равна 0, когда аргумент отрицательный и равна 1, когда аргумент положительный.

Дельта-функция (функция Дирака)

Эту физически нереализуемую функцию можно представить как импульс бесконечно малой длительности и бесконечно большой амплитуды, т.е. как предел, к которому стремится прямоугольный импульс с основанием Δt и площадью, равной единице, если Δt → 0 так, чтобы площадь импульса сохранялась равной единице.

Синусоидальный (гармонический) сигнал

Управляющее воздействие в замкнутой системе  формируется в большинстве случаев в зависимости от величины и знака отклонения истинного значения управляемой величины от ее заданного значения:

y(t) = Ay[ε(t)],

где ε(t) = xз(t) - x (t) – сигнал ошибки (сигнал рассогласования).

Замкнутую систему называют часто системой управления по отклонению.

В замкнутой системе контролируется непосредственно управляемая величина и тем самым при выработке управляющего воздействия учитывается действие всех возмущений, влияющих на управляемую величину. В этом заключается преимущество замкнутых систем.

Но из-за наличия замкнутой цепи воздействий в этих системах могут возникать колебания, которые в некоторых случаях делают систему неработоспособной. Кроме того, сам принцип действия замкнутых систем (принцип управления по отклонению) допускает нежелательные изменения управляемой величины: вначале возмущение должно проявиться на выходе, система “почувствует” отклонение и лишь потом выработает управляющее воздействие, направленное на устранение этого отклонения. Такая “медлительность” снижает эффективность управления. Несмотря на наличие определенных недостатков, этот принцип управления широко применяется при создании АСУ.

Гармонический сигнал характеризуется параметрами: амплитуда – А; период – Т; фаза – ϕ. 

Пример 1. Если на исследуемом объекте резко открыть вентиль, в результате чего расход подаваемого вещества изменится скачком с F1 до F2, то говорят, что на входе объекта реализован скачкообразный сигнал величиной F2 – F1 , и если эта разность равна единице, то на входе реализуется единичный скачок.

 Изменение в установке вентиля расход пара не мгновенно будет изменять выходную величину температуры.  Теплоёмкость воды будет заставлять температуру медленно перемещаться в новое положение.

Пример 2. При управлении расходом динамический ответ быстрый. Изменение в положении вентиля вызовет немедленное изменение  расхода, так что изменение в объёмном расходе почти немедленно повторяет изменение во входном положении вентиля.

Рис. 12 Характеристики управляемой системы «вентиль»

Ответ системы на внезапное изменение входной переменной называется (step response - ответ на входное ступенчатое изменение). Каждую систему можно характеризовать её step response. Вид step response позволяет описывать поведение системы математическими уравнениями, это поведение ещё известно как динамический ответ системы (Dynamic response).

Статическая характеристика  – зависимость выходной величины объекта у, т.е. величины, характеризующей объект управления, от величины подаваемого на его вход воздействия х, при условии, что подаваемое воздействие постоянно, т.е. х = const.

 Почти все объекты (системы) управления обладают инерцией – механической, тепловой, гидродинамической.

При мгновенном изменении входных сигналов выходной сигнал системы меняется не мгновенно, а постепенно. Изменение выходного сигнала часто продолжается и после того, как входной сигнал уже не меняется. Это явление последействия – называется инерцией. Если инерция системы меньше, чем у остальных элементов, то такие системы называются безынерционными. Инерция (механическая, тепловая) – это способность объекта накапливать вещество или энергию. Инерция характеризуется емкостью системы управления. Объекты управления с монотонным изменением выходного сигнала называются апериодическими. При переходных процессах в инерционных объектах запас вещества или энергии может меняться не только монотонно, но и колебательно. Системы управления, обладающий этим свойством,  называется колебательными системами.

Статический режим – состояние элемента АСУ, при котором выходная величина не изменяется во времени, т. е. y(t) = const.

Очевидно, что статический режим (или состояние равновесия) может иметь место лишь тогда, когда входные воздействия постоянны во времени. Связь между входными и выходными величинами в статическом режиме описывают алгебраическими уравнениями.

 Динамический режим – состояние элемента АСУ, при котором входная величина непрерывно изменяется во времени, т. е. y(t) = var.

Динамический режим имеет место, когда в элементе после приложения входного воздействия происходят процессы установления заданного состояния или заданного изменения выходной величины. Эти процессы описываются в общем случае дифференциальными уравнениями.

Неустановившийся (переходный) режим – режим, существующий от момента начала изменения входного воздействия до момента, когда выходная величина начинает изменяться по закону этого воздействия.

Установившийся режим – режим, наступающий после того, когда выходная величина начинает изменяться по такому же закону, что и входное воздействие, т. е. наступающий после окончания переходного процесса.

 В установившемся режиме элемент совершает вынужденное движение. Очевидно, что статический режим является частным случаем установившегося (вынужденного) режима приx(t) = const.

При последовательном соединении звеньев их передаточные функции перемножаются.

W_об = W₁^.W₂^.W₃…