Полищук Михаил Нусимович

Теория автоматического управления

Курс лекций для студентов кафедры «Автоматы»

Введение

Управление состоит в том, чтобы, оказывая воздействие на объект, изменять протекающие в нем процессы для достижения определенной цели. В любой системе, где есть управление, всегда можно выделить две подсистемы. Первая – это объект управления, то чем управляют. Вторая – это средства управления – устройства, элементы, осуществляющие управление.

Управление может быть ручным, полуавтоматическим и автоматическим, в зависимости от степени участия в процессе управления человека-оператора. При ручном управлении функции управления целиком выполняет человек. Автоматическое управление осуществляется без участия человека-оператора с помощью специальных технических устройств. Полуавтоматическое управление – это промежуточный вариант между ручным и автоматическим управлением.

Системы, в которых осуществляется автоматическое управление, называются системами автоматического управления (САУ). Теория автоматического управления (ТАУ) занимается разработкой общих принципов создания и функционирования подобных систем.

Объекты управления в автоматических системах могут иметь самую разную физическую природу; соответственно разнообразными могут быть и процессы, протекающие в подобных системах. Однако очень важно то, что разнообразные физические процессы могут быть описаны в рамках одних и тех же математических структур (обычно – дифференциальных уравнений). Поэтому ТАУ оперирует не с конкретными техническими описаниями, а с классами математических моделей. Это придает теории автоматического управления внешний облик математической дисциплины. Но по своему содержанию и направленности ТАУ остается технической наукой. Это проявляется при выборе математической модели, приложениях и трактовке получаемых результатов:

– модель любого реального объекта обладает специфическими особенностями; без понимания «физики» процессов невозможен выбор и обоснование адекватной математической модели;

– любая модель лишь приближенно отражает свойства реального объекта, позволяет только прогнозировать его реакцию на воздействия; поэтому очень важна проверка результатов и их правильная трактовка.

Важно понимать, что на практике исходными являются не уравнения, а реальный физический объект и реально используемые технические средства управления.

Несмотря на разнообразие технических проблем, существуют общие подходы, общие принципы создания систем управления.

1 Принципы автоматического управления

1.1 Функциональная схема сау

Любая система автоматического управления (САУ) строится из нескольких функциональных блоков: объекта управления, исполнительного устройства, датчика обратной связи и управляющего устройства.

1.1.1 Объект управления

Объект управления (ОУ)  это физическая система, которой управляют для достижения требуемой цели. Объекты управления могут иметь различную природу. Прежде всего, выделим технические объекты: механические, электротехнические, тепловые.

В механических объектах управляемыми являются процессы изменения координат и скоростей, а управляющими воздействиями  внешние силы; цель управления состоит в получении требуемых траекторий (движение инструмента станка ЧПУ, рабочего органа промышленного робота, автомобиля и т. д.).

В электротехнических объектах управляют процессами изменения токов, напряжений, мощностей за счет внешних ЭДС, потенциометров, варикапов для обеспечения постоянства напряжений или максимизации мощности.

В теплотехнических объектах управляемыми являются процессы изменения температур; воздействия осуществляются путем подвода или отвода тепловой энергии с целью обеспечения заданного распределения температур или стабилизации температуры на определенном уровне.

Можно привести примеры управления объектами в других сферах жизнедеятельности:

• социально-экономические объекты (цель – повышение уровня жизни; воздействия – рыночные механизмы, валютный курс, уровень инфляции, инвестиции);

• военно-политические объекты (цель – мировое или региональное господство; воздействия – использование военной силы, переговоры, экономическое влияние);

• биологические объекты, человек (гомеостаз – комплекс защитных реакций организма, направленных на стабилизацию характеристик различных органов и систем при изменении температуры, давления, физических нагрузок и других внешних и внутренних факторов).

Изображение ОУ на структурной схеме представлено на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Обозначение объекта управления (ОУ) на структурной схеме

Функциональный объект  в прямоугольнике; v(t), z(t)  входы, y(t)  выход. Смысл сигналов: v(t)  управляющее воздействие; z(t)  внешнее возмущение; y(t)  набор характеристик состояния.

Пример ОУ  промышленный робот (ПР, рис. 1.2).

Рис. 1.2 – Схема ПР

Цель управления роботом – воспроизведение требуемой траектории движения схвата. v(t) – силы и моменты от приводов степеней подвижности: M_, F_r, F_z; z(t) – технологическая нагрузка, силы и моменты сил трения; y(t) = x_c, y_c, z_c, …  координаты центра схвата и углы его ориентации в пространстве.