1. Основные понятия теории управления техническими системами
1.1. Цели, принципы управления, виды систем управления, основные определения, примеры
Развитие и совершенствование промышленного производства (энергетики, транспорта, машиностроения, космической техники и т.д.) требует непрерывного увеличения производительности машин и агрегатов, повышения качества продукции, снижения себестоимости и, особенно в атомной энергетике, резкого повышения безопасности (ядерной, радиационной и т.д.) эксплуатации АЭС и ядерных установок.
Реализация поставленных целей (см. выше) не возможна без внедрения современных систем управления, включая как автоматизированных (с участием человека-оператора), так и автоматических (без участия человека-оператора) систем управления (СУ-аббревиатура).
Определение: Управление - это такая организация того или иного технологического процесса, которая обеспечивает достижение поставленной цели.
Теория управления является разделом современной науки и техники. Она базируется (основывается) как на фундаментальных (общенаучных) дисциплинах (например, математика, физика, химия и т.д.), так и на прикладных дисциплинах (электроника, микропроцессорная техника, программирование и т.д.).
Любой процесс управления (автоматического) состоит из следующих основных этапов (элементов):
получение информации о задаче управления;
получение информации о результате управления;
анализ получаемой информации;
выполнение решения (воздействие на объект управления).
Для реализации Процесса Управления система управления (СУ) должна иметь:
источники информации о задаче управления;
источники информации о результатах управления (различные датчики, измерительные устройства, детекторы и т.д.);
устройства для анализа получаемой информации и выработки решения;
исполнительные устройства, воздействующие на Объект Управления, содержащие: регулятор, двигатели, усилительно-преобразующие устройства и т.д.
Определение: Если система управления (СУ) содержит все перечисленные выше части, то она является замкнутой.
Определение: Управления техническим объектом с использованием информации о результатах управления называется принципом обратной связи.
Схематично такая система управления может быть представлена в виде:
Рис. 1.1 - Структура системы управления (СУ)
Если система управления (СУ) имеет структурную схему, вид которой соответствует рис. 1.1, и функционирует (работает) без участия человека (оператора), то она называется системой автоматического управления (САУ).
Если СУ функционирует с участием человека (оператора), то она называется автоматизированной СУ.
Если Управление, обеспечивает заданный закон изменения объекта во времени независимо от результатов управления, то такое управление совершается по разомкнутому циклу, а само управление называется программным управлением.
К системам, работающим по разомкнутому циклу, относятся промышленные автоматы (конвейерные линии, роторные линии и т.д.), станки с числовым программным управлением (ЧПУ): см. пример
Рис.1.2 - Пример программного управления
Задающее устройство может быть, например, и “копиром”.
Поскольку в данном примере нет датчиков (измерителей), контролирующих изготавливаемую деталь, то если, например, резец был установлен неправильно или сломался, то поставленная цель (изготовление детали) не может быть достигнута (реализована). Обычно в системах подобного типа необходим выходной контроль, который будет только фиксировать отклонение размеров и формы детали от желаемой.
Автоматические системы управления подразделяются на 3 типа:
системы автоматического управления (САУ);
системы автоматического регулирования (САР);
следящие системы (СС).
САР и СС являются подмножествами САУ {САР}{САУ}; {СC}{САУ}.
Определение: Автоматическая система управления, обеспечивающая постоянство какой-либо физической величины (группы величин) в объекте управления называется системой автоматического регулирования (САР).
Системы автоматического управления (САР) - наиболее распространенный тип систем автоматического управления.
Первый в мире автоматический регулятор (18-е столетие) - регулятор Уатта. Данная схема (см. рис. 1.3) реализована Уаттом в Англии для поддержания постоянной скорости вращения колеса паровой машины и, соответственно, для поддержания постоянства скорости вращения (движения) шкива (ремня) трансмиссии.
В данной схеме чувствительными элементами (измерительными датчиками) являются “грузы” (сферы). «Грузы» (сферы) также “заставляют” перемещаться коромысло и затем задвижку. Поэтому данную систему можно отнести к системе прямого регулирования, а регулятор - к регулятору прямого действия, так как он одновременно выполняет функции и “измерителя” и “регулятора”.
В регуляторах прямого действия дополнительного источника энергии для перемещения регулирующего органа не требуется.
Рис. 1.3 - Схема автоматического регулятора Уатта
В системах непрямого регулирования необходимо присутствие (наличие) усилителя (например, мощности), дополнительного исполнительного механизма, содержащего, например, электродвигатель, серводвигатель, гидропривод и т.д.
Примером САУ (системы автоматического управления), в полном смысле этого определения, может служить система управления, обеспечивающая вывод ракеты на орбиту, где управляемой величиной может быть, например, угол между осью ракеты и нормалью к Земле см. рис. 1.4.а и рис. 1.4.б
ПРИМЕР СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ – ЗАПУСК РАКЕТЫ
Рис.1.4.а Рис.1.4.б
Примером СС (следящей системы) может служить радиолокационная система слежения за движением “неизвестного” самолета, поскольку “маневры” самолета заранее неизвестны, поэтому и закон перемещения антенны во времени заранее неизвестен.