Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство воздушного транспорта

«Омский летно-технический колледж гражданской авиации

имени А.В. Ляпидевского» филиал Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ульяновское высшее авиационное училище гражданской авиации (институт)»

Конспект лекции по дисциплине «Автоматика и управление»

Омск 2014

Конспект лекций разработан в соответствии с учебной программой утвержденной директором филиала.

В нем рассматриваются основы теории автоматики.

Конспект лекций может быть использован учащимися дневного и заочного обучения специальности 210420.

Составил:

Ефименко А.В.

инженер УО

Рецензент:

Заведующий отделением АиРЭО

Карнюшин В.Н.

Тема 1.1. Основные понятия автоматики Введение

Применение автоматики и вычислительной техники позволяет механизировать трудоемкие и тяжелые работы, экономить средства. Автоматика и вычислительная техника находят широкое применение и в военной технике, что имеет большое значение для обороны нашей Родины. Так, например, существуют системы управления, которые автоматически могут следить за самолетом противника, выполнять определенные вычисления, связанные с наведением средств поражения, готовить данные и автоматически наводить средства поражения на цель.

Одним из замечательных достижений нашего времени - космическая, атомная и ракетная техника базируется на передовых достижениях автоматики. Без использования быстродействующих электронных вычислительных машин в этих областях успехов не достичь. Вычислительные машины по принципу действия делятся на два класса: аналоговые (непрерывного действия) и цифровые (дискретного действия).

Аналоговые машины (непрерывного действия) отличаются от цифровых тем, что вводимые в них математические величины выражаются в виде электрических напряжений, токов, углов поворота и т. д. Точность работы таких устройств, зависящая от точности изготовления отдельных элементов, входящих в устройство, в настоящее время составляет 0,1-0,01%. Дальнейшее увеличение точности связано со значительными техническими трудностями. Аналоговые машины состоят из ряда блоков, каждый из которых выполняет какую-либо математическую операцию (сложение, вычитание, умножение, деление, интегрирование и т. д.). Эти блоки соединяют в определенной последовательности для обеспечения решения конкретного уравнения. Такие машины являются узкоспециализированными. Следовательно, тип и сложность задач, которые можно решить на аналоговой машине, определяются наличием в ее составе набора определенных блоков. Наиболее распространенными являются электронные аналоговые машины, предназначенные для решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Они применяются для моделирования различных физических процессов и движущихся объектов; поэтому их называют моделирующими машинами. С помощью таких машин в лабораторных условиях можно экспериментально отработать конструкцию аппаратуры управления движущимися объектами.

В цифровых машинах (дискретного действия) операции производятся не над физическими величинами, а над числами, которые представлены в виде цифр, поэтому их и называют цифровыми вычислительными машинами. Цифровая вычислительная машина выполняет элементарные арифметические и логические операции по заранее за­данной программе. Основными преимуществами цифровых вычислительных машин является их универсальность и большая точность вычисления, которая зависит от количества разрядов, используемых в машине для представления чисел. Цифровые вычислительные машины могут выполнять десятки и сотни тысяч элементарных арифметических операций в секунду. Для решения какой-либо математической задачи с помощью такой машины требуется заранее составить программу последовательности выполнения машиной арифметических операций.

Первая электронная цифровая вычислительная машина была построена в США в 1945 г. В Советском Союзе разработано около 30 конструкций универсальных цифровых вычислительных машин: БЭСМ-6, «Урал-14Д», «Минск-32», М-222, ЕС ЭВМ и т. д. Сконструирован также ряд специализированных цифровых машин, предназначенных для решения определенного класса задач и управления производственными процессами. Наличие в цифровых вычислительных машинах логических схем, а также ячеек памяти дает возможность использовать их в управляющих системах. Такие управляющие системы с вычислительными машинами осуществляют автоматическое управление производственными процессами без участия человека и позволяют автоматизировать целые цеха и заводы.

Современный уровень развития техники характеризуется широким использованием средств автоматизации в управлении различными процессами. Можно с уверенностью сказать, что все наиболее выдающиеся научно-технические достижения в области освоения космоса, атомной энергетики, беспилотной авиации и вычислительной техники стали возможны благодаря использованию комплексов автоматических устройств и систем. Особенно велика роль автоматизации в процессе производства и повышения производительности труда. Автоматизацию можно назвать главным направлением технического прогресса.

На современном самолете осуществлена автоматизация отдельных этапов полета самолета, авиадвигателями, источниками электроэнергии, средствами ориентировки и т. п. Для этой цели используются автопилот, автомат запуска и система автоматического регулирования частоты вращения авиадвигателя, система регулирования напряжения самолетного генератора и навигационные автоматы, система регулирования передаточного отношения от ручки управления к стабилизатору, автомат растормаживания колес и т. п. Такое широкое внедрение автоматических устройств повышает возможности самолета, так как облегчает экипажу выполнение задач, обеспечивая необходимую точность и быстродействие в условиях непрерывно возрастающих скоростей и высот полета. Дальнейшей повышение эффективности авиации требует осуществления полной автоматизации всех режимов полета самолета: взлета, крейсерский режим, посадки. Возникает также необходимость объединения отдельных систем автоматического управления в единое целое, т. е. осуществление комплексной автоматизации самолета. Все это не только возможности самолетов, но и позволяет увеличить безопасность полетов и надежность работы авиационной техники.

Усложнение технического оснащения самолетов требует от специалистов любого профиля знания не только аппаратуры и оборудования, с которыми они сталкиваются в процессе эксплуатации, но и принципов построения и основ работы тех сложных комплексов и систем, в которые входит самолет с его установками. Изучение принципа действия и построения сложных технических систем становится возможным лишь в результате усвоения основ современной автоматики.

Истоки автоматики, т. е. первые попытки заменить труд человека механизмами, действующими без его непосредственного участия, относятся к древности и к средним векам. Однако автоматические устройства стали прямой технической необходимостью только после того, как получили достаточное развитие машины и механизмы, используемые для преобразования энергии и производства работы.

Первыми промышленными автоматическими устройствами были регуляторы паровых машин. В 1765 г. талантливым русским механиком И. И. Ползуновым был изобретен поплавковый регулятор уровня воды в паровой машине. В регуляторе нашла применение идея регулирования по отклонению, которая легла в основу принципа построения замкнутых систем автоматического управления. В 1784 г. английским механиком Дж. Уаттом был создан центробежный регулятор для поддержания постоянной скорости вращения вала паровой машины, который сыграл большую роль в развитии промышленных систем автоматического регулирования. В течение XIX в. шло совершенствование регуляторов паровых котлов и паровых машин. Были созданы также регуляторы паровых турбин и гидротурбин, разработаны электрические регуляторы напряжения генераторов и регуляторы частоты вращения для двигателей постоянного тока.

Практика применения промышленных регуляторов потребовала разработки методов их расчета и теоретических исследований про­текающих в них процессов. Первой в этой области была работа гениального русского математика П. Л. Чебышева «О регуляторах» (1838 г.). В 1876—1877 гг. профессор Петербургского технологического института И. А. Вышнеградский создал основы классической теории автоматического регулирования. В своих трудах «Об общей теории регуляторов» и «О регуляторах прямого действия» он указал на необходимость совместного рассмотрения регулятора и машины как единой динамической системы.

При исследованиях Вышнеградский применял линеаризацию уравнений динамики системы и нашел условия устойчивости системы автоматического регулирования. Идеи Вышнеградского развил словацкий ученый профессор А.Стодола и применил к исследованию систем более высокого порядка. Он сформулировал задачу о нахождении алгебраических условий устойчивости системы, описываемой линейным дифференциальным уравнением любого порядка.

Эту задачу в 1895 г. решил немецкий математик А. Гурвиц. Английский математик Раус независимо от Гурвица нашел условия устойчивости системы в несколько ином виде. В конце XIX в. русский математик академик А. М. Ляпунов в работе «Общая задача об устойчивости движения» создал строгую теорию устойчивости движения, показал законность исследования системы по линеаризованным уравнениям.

Работа профессора Н. Е. Жуковского «Теория регулирования хода машин», опубликованная в 1909 г., была первым изложением курса лекций, прочитанных ученым по теории регулирования в высшем техническом учебном заведении, и явилась дальнейшим развитием теории автоматического регулирования. В 1934 г. при Академии наук СССР была создана комиссия автоматики и телемеханики. Комиссия с 1936 г. начала издавать журнал «Автоматика и телемеханика», являющийся одним из ведущих журналов по теории автоматического регулирования и управления.

Автоматика постепенно проникает во все отрасли техники и начинает охватывать самые разнообразные процессы. Усложнение систем автоматического регулирования и повышение требований к качеству процессов регулирования привели к развитию методов исследования устойчивости и качества процесса регулирования. Получают развитие частотные методы анализа систем автоматического регулирования, перешедшие в автоматику из радиотехники.

Частотный критерий устойчивости усилителей с обратной связью был разработан в 1932 г. американским инженером Найквистом. Частотные методы исследования систем автоматического регулирования получили развитие в работах А. В. Михайлова в 1938 г. Частотные и структурные методы анализа систем автоматического регулирования были развиты также в работах советских ученых В. В. Солодовникова, Я. 3. Цыпкина, А. А. Воронова,А. Красовского, А. А. Фельдбаума, А. С. Шаталова и ряда других. В разработке теории нелинейных систем сыграли большую роль основополагающие работы А. А. Андронова, Н. М. Крылова и Н. Н. Боголюбова, выполненные в 40-х годах. Эти работы вме­сте с работой А. М, Ляпунова являются теоретической основой для решения задач теории нелинейных автоматических систем.

Частотные методы исследования нелинейных систем, предложенные в работах Н. М. Крылова и Н. Н. Боголюбова, были развиты советскими учеными Л. С. Гольдфарбом, Е. П. Поповым и др. При исследовании автоматических систем, находящихся под воздействием случайных сигналов и помех, большую роль сыграли статистические методы, основанные на теории стационарных случайных процессов, разработанной советскими учеными А. Н. Колмогоровым и А. Д. Хинчиным и развитой американским ученым М. Винером.

Статистические методы исследования систем автоматического управления получили дальнейшее развитие в работах В. Солодовникова, В. С. Пугачева и других.

В последние годы широкое развитие получили электронные вычислительные машины различного назначения. Применение электронных цифровых вычислительных машин в контурах управления и использование различных видов импульсных устройств в автоматических системах приводит к разработке теории дискретных систем автоматического управления. Большая роль в развитии этого направления принадлежит советским ученым Я- 3. Цыпкину и другим, а также некоторым зарубежным ученым.

Теория автоматического регулирования и управления относится к числу бурно развивающихся областей науки. В настоящее время получают широкое развитие и более совершенные типы систем автоматического управления, к числу которых относятся оптимальные и самонастраивающиеся системы. Разработкой теоретических основ таких систем в Советском Союзе занимались А. А. Красовский, А. А. Фельдбаум, В. В. Солодовников и др.

Автоматика - это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения систем управления техническими объектами и процессами, действующих без непосредственного участия человека. Технический объект (например воздушное судно), нуждающийся в автоматическом управлении, называется объектом управления (ОУ). Совокупность ОУ и автоматического управляющего устройства называется системой автоматического управления (САУ) или автоматизированной системой управления (АСУ).

В системах автоматики получение, передача, преобразование и использование информации осуществляются без непосредственного участия человека. Для получения информации о ходе производственного процесса применяют датчики - элементы автоматики, преобразующие самые разные физические величины (размеры, температуру, давление, расход, скорость, уровень и т. д.) в некоторый сигнал, удобный для последующей обработки в автоматическом устройстве или ЭВМ. Затем этот сигнал обрабатывается: сравнивается с другими сигналами, анализируются его изменения. В результате обработки информационных сигналов вырабатываются исполнительные сигналы, которые и воздействуют на исполнительные элементы. Эти сигналы в исполнительных элементах автоматики преобразуются в силовое воздействие- перемещение руля, включение и отключение насоса, включение или отключение автомата обогрева стекол и т. п. Так как это воздействие требует значительной энергии, то обработка информационных сигналов предусматривает, как правило, их усиление. Таким образом, системы автоматики состоят из датчиков, усилительно-преобразовательных и исполнительных элементов. Наиболее универсальным и удобным для систем автоматики оказался электрический сигнал. По сравнению с другими (пневматическими или гидравлическими) электрический сигнал имеет следующие преимущества:

1. Электрический сигнал можно передавать на большие расстояния;

2. Энергию электрического сигнала можно преобразовывать в другие виды энергии, прежде всего в механическую и тепловую,

3. Электрический сигнал можно обрабатывать, в том числе усиливать, с помощью простых технических средств. Именно поэтому наибольшее распространение получили электрические системы автоматики, т. е. использующие именно электрический сигнал. С применением электрических элементов автоматики мы постоянно сталкиваемся в быту: датчики температуры в холодильнике и утюге, электронный будильник, термостабилизатор температуры воды в газовых нагревателях и т.д.