ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра Автоматизации производственных процессов

КОНСПЕКТ КУРСА ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

1 часть

Для студентов направления підготовки 6.050702 «Электромеханика»

ОДЕССА – 2013

Змістовий модуль 1

ЛЕКЦИЯ №1

ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ

Понятие об управлении. История развития автоматического управления. Сущность автоматизации

Термин «автоматика» происходит от греческого слова automatos – самодвижущий­ся. Первоначально этот термин применялся для обозначения диковинок, самодвижущих­ся или самодействующих устройств.

Первые такие устройства были изобретены в доисторические времена (капканы, силки, самострелы) и были предназначены для решения насущных задач – добывания пищи (поимки зверя либо птицы). С изобретением ветряного и водяного двигателя и появлением мельниц широкое применение на них нашли автоматические дозирующие устройства, принцип действия которых был примитивен (рис. 1).

Более сложным автоматом являются механические часы (изобретены в XI веке), которые нашли широкое применение. Возникновение часового производства в свою очередь оказало большое влияние на появление самых разнообразных, весьма сложных самодействующих механизмов.

Однако начало поистине широкого применения автоматических систем управления относится ко второй половине XVIII века, в период промышленной революции, когда была изобретена и начала использоваться паровая машина. В 1765 году И.И. Ползунов построил автоматическую систему регулирования (САР) уровня воды в паровом котле, построенного для, изобретенной им же, двухцилиндровой паровой машины непрерывного действия (рис.2).

Рис.1.1 – Автоматический питатель для регулирования подачи зерна на водяной мельнице	Рис.1.2 – Автоматический регулятор уровня воды в котле И.И.Ползунова

В 1774 году Д.Уатт (D.Watt, Англия) изобрел автоматический регулятор частоты вращения вала паровой машины.

Очевидные основания для введения автоматического управления возникают в таких установках, где для обслуживающего их человека создаются физические пределы из-за недостаточной его силы, быстроты действия, тяжелых окружающих условий (высокой температуры, наличия вредных излучений и т.п.).

С тех пор, как вам известно, производство начало развиваться семимильными шагами. Необходимость увеличения количества энергии, расходуемой для целей производ­ства, сопровождалась улучшением машин, созданием комплексов машин и механизмов, частично заменяющих или облегчающих физический труд человека, т.е. частичной ме­ханизацией производственных процессов.

По мере совершенствования техники произ­водственный процесс усложняется, темпы его возрастают, и число операций, выполнявшихся человеком за счет мускульной силы, систематически сокращается. В тех случаях, когда в производственном процессе за человеком сохраняется лишь функция управления и он полностью отстраняется от выполнения операций иного назначения, частичная механизация становится комплексной механизацией.

Таким образом, механизация – комплекс мер по замене мышечной энергии человека или животных, используемой для реализации производственного процесса, «искусственными» источниками энергии (энергией падающей воды, пара, электроэнергией).

Далее, что же является основанием для введения автоматического управления. Масштабы производственных процессов многократно возрастают, и для обслуживающего их человека становится сложно справляться с задачей управления: создаются физические пределы из-за недостаточной его силы, быстроты действия, тяжелых окружающих условий (высокой температуры, наличия вредных излучений и т.п.). Таким образом, становится очевидно, что необходима замена человека в реализации функции управления, т.е. необходима автоматизация производства.

Автоматизация – это комплекс мер по замене рассудочной и интеллектуальной деятельности человека при управлении производственными процессами «деятельностью» технических средств, наделенными такими способностями.

Управление как процесс достижения цели

Что же такое управление?

Управление каким-либо объектом – это процесс воздействия на него с целью обеспечения желаемых характеристик его функционирования.

Для реализации управления исходно необходимы два компонента: информация и ресурсы.

Информация, на основе которой рассчитывается управляющее воздействие, как в автоматической, так и в неавтоматической системе, включает в себя три компонента:

1. информацию о желаемом состоянии объекта или желаемом изменении его состояния, т.к. пока нет «желания» - нет цели – нет и объекта управления, поэтому эта составляющая информации является обязательной для реализации управления;

2. информацию о фактическом, текущем (в текущий момент времени) состоянии объекта;

3. информацию о текущем состоянии среды, в которой функционирует объект, и которая на него воздействует, изменяя характеристики его функционирования.

Наличие ресурсов на управление означает, что имеется возможность целенаправленного воздействия на объект (т.е. воздействия, осуществляемого для достижения целей управления), которого достаточно для компенсации последствий воздействия среды на объект. Использование этих ресурсов будем называть управляющими воздействиями.

Пример. Управление микроклиматом в помещении. Цель управления – обеспечить благоприятные для работы параметры микроклимата: температуру θ_п, влажность w_п, концентрацию СО₂ – .

Информация, которая нужна для управления:

- о желаемом состоянии объекта ;

- о фактическом текущем состоянии объекта

- о текущем состоянии среды, в которой находится объект: температуре окружающей среды, влажности, освещенности окон помещения солнцем, направлении и скорости ветра, притоках тепла, влаги и СО₂ от людей, работающих в помещении и т.д.

Наличие ресурсов на управление означает, что имеется возможность обеспечить:

- необходимые притоки тепла (холода) на обогрев (охлаждение) помещения до желаемой температуры

- обеспечить увлажнение (осушение) воздуха в помещении до желаемой влажности

- обеспечить приток свежего воздуха для снижения концентрации СО₂

Использование этих ресурсов для целенаправленного изменения текущего состояния объекта означает реализацию управляющих воздействий на объект управления. Их суть состоит во включении, отключении, изменении мощности нагревателей (охладителей), увлажнителей (осушителей), приточной вентиляции.

Объект управления может относится к технике, обществу или живой природе. Общими проблемами управления занимается наука кибернетика. Ее «отец» Норберт Винер доказал общность закономерностей процессов управления для всех видов объектов.

ТАУ – раздел кибернетики, который занимается проблемами управления антропогенными, т.е. созданными человеком, объектами.

Управление такими объектами может осуществляться: а) человеком (неавтоматическое, «ручное» управление); б) специальными техническими средствами (автоматическое управление).

Основные преимущества автоматического управления перед ручным:

- отсутствие субъективных факторов (усталость, невнимательность), вызывающие ошибки в управлении, которые приводят к снижению эффективности работы объекта управления, а грубые ошибки могут привести к тяжелым последствиям

- повышая «интеллектуальный уровень» технических средств управления можно управлять объектом, т.к. это мог бы делать идеально подготовленный, осознающий все особенности объекта, человек-оператор. Т.е. замену реального человека-оператора, со всеми его недостатками, можно рассматривать как привлечение на работу оператора высочайшей квалификации, который ко всему прочему не требует соответствующей зарплаты. Причем такие «операторы» легко «размножаются» - тиражируются.