Все лекции ОА и САУ
В В Е Д Е Н И Е 4
ЛЕКЦИЯ № 1 6
1.1. ПОНЯТИЕ СИСТЕМЫ И ЕЁ СВОЙСТВА 6
1.2. ПОНЯТИЕ УПРАВЛЕНИЯ. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ. ВИДЫ УПРАВЛЕНИЯ 9
1.3. ВИДЫ И СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 15
1.4. УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАЦИЯ 17
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 21
ЛЕКЦИЯ № 2 21
2.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ САУ 21
2.2. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ТАУ 28
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 36
ЛЕКЦИЯ № 3 36
2.3. ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕМЕНТАХ САУ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ 36
2.4. КЛАССИФИКАЦИЯ САУ 43
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 58
ЛЕКЦИЯ № 4 58
2.5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ САУ 58
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 64
ЛЕКЦИЯ № 5 65
2.6. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ САУ 65
2.7. ЛОГАРИФМИЧЕСКИЕ АМПЛИТУДНО-ФАЗО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ САУ 71
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 75
ЛЕКЦИЯ № 6 75
3.1. ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ 75
3.2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ И САУ 78
3.3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ТИПОВЫХ ЗВЕНЬЯХ 79
Безынерционное звено. 80
Апериодическое звено. 81
Колебательное звено. 81
Идеальное интегрирующее звено. 82
Реальное интегрирующее звено. 83
Изодромное интегрирующее звено. 83
Идеальное дифференцирующее звено. 83
Реальное дифференцирующее звено. 84
Звено чистого запаздывания. 84
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 84
ЛЕКЦИЯ № 7 85
3.4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИПОВЫХ ЗВЕНЬЕВ 85
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 94
ЛЕКЦИЯ № 8 94
3.5. СТРУКТУРНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ САУ 94
3.6. ПОСТРОЕНИЕ ЛАЧХ и ЛФЧХ САУ 100
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 106
ЛЕКЦИЯ № 9 106
4.1. КОРНЕВЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ САУ 106
В литературе по САУ встречаются следующие рекомендации по применению критериев устойчивости: 114
4.2. АЛГЕБРАИЧЕСКИЙ КРИТЕРИЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГУРВИЦА 115
ЛЕКЦИЯ № 10 119
4.3. ОБЛАСТИ И ЗАПАСЫ УСТОЙЧИВОСТИ САУ 119
4.4. ЧАСТОТНЫЙ КРИТЕРИЙ УСТОЙЧИВОСТИ НАЙКВИСТА 124
4.5. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПО ЛЧХ 127
ЛЕКЦИЯ № 11 129
5. АНАЛИЗ КАЧЕСТВА САУ 129
5.1. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА САУ 130
1. Установившееся значение переходной функции 130
2. Время регулирования (время переходного процесса) 130
3. Перерегулирование. Перерегулирование Δhmax или выброс представляет собой максимальное отклонение регулируемой величины от установившегося значения. Обычно, первый максимум является наибольшим. Эта величина выражается в процентах и определяется по формуле 131
4. Число колебаний за время переходного процесса 132
5.2. АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ 137
ЛЕКЦИЯ № 12 141
5.3.ТОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ 141
ЛЕКЦИЯ № 13 151
5.4.АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 151
5.5. АНАЛИЗ КАЧЕСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК 155
5.6. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА САУ 156
ЛЕКЦИЯ 14 166
6. СИНТЕЗ СИСТЕМ 166
6.1. СИНТЕЗ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК 166
6.2. СИНТЕЗ КОРРЕКТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ЛАЧХ 172
ЛЕКЦИЯ 15 176
6.ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ 176
6.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ БСУ 176
6.2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА 180
ЛЕКЦИЯ 16 186
7. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО ОСУ 186
7.1. ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 186
7.2. ПРОИЗВОДСТВО КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ 188
7.3. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ 190
7.4. МЕТОДЫ ОРГАНИЗАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ 194
7.5. ИНФОРМАЦИЯ В ПРОЦЕССЕ ОРГАНИЗАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ 195
7.6. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСУ 197
ЛЕКЦИЯ № 17 199
6.ДИСКРЕТНЫЕ САУ 199
6.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДСАУ 199
6.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОПРЦЕСССОРОВ И МИКРО-ЭВМ В СУ 203
6.3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЦСАУ 206
ЛЕКЦИЯ № 18 214
6.4. АНАЛИЗ ДСАУ 214
6.5. СИНТЕЗ ЦСАУ 221
В В Е Д Е Н И Е
Задачи по управлению теми или иными явлениями или процессами, возникающими в результате практической деятельности человека или независимо от нее, обширны и многообразны. Одним из наиболее важных направлений в этом плане является применение средств автоматики и систем автоматического управления (САУ).
Современная автоматика (совокупность методов и средств автоматического управления) и системы автоматического управления обеспечивают эффективное управление различными процессами целенаправленного преобразования энергии, вещества и информации для получения требуемых продуктов или результатов в различных сферах деятельности человека. Автоматические системы в настоящее время широко применяются в промышленности, на транспорте, в устройствах связи, в информационной технике и т.д. С экономической точки зрения автоматизация является одним из перспективных направлений развития всех отраслей науки и техники, так как она способствует повышению производительности труда, снижению всякого рода затрат, а отсюда повышению эффективности любой деятельности. Поэтому каждому специалисту необходимо иметь определенные знания и умение использования автоматики и САУ для эффективного управления существующими технологиями, а также для создания и освоения новых высоких технологий.
Курс «Основы автоматики и теории управления» знакомит с элементами автоматики, общими принципами построения систем автоматического управления, с методами исследования, расчета и проектирования этих систем. В нем рассматриваются как общие принципы управления, так и особенности, присущие его основным видам, а также математические методы, которые используются в анализе и реализации процессов управления, особенно при его автоматизации.
Изучение данной дисциплины дает будущим специалистам знание и умение создавать и использовать системы автоматики и автоматического управления различными техническими объектами управления.
В курсе предусмотрено 7 тем:
1. Управление и информатика.
2. Основные понятия и определения САУ.
3. Моделирование САУ.
4. Методы анализа и синтеза САУ.
5. Цифровые САУ.
6. Общие принципы системной организации.
7. Основные сведения по осу.
Целесообразность знакомства с основами теории управления для специалистов по информационным системам связана не только с использованием положений данной теории при практической разработке автоматизированных систем для обеспечения их эффективности, но и с необходимостью умения непосредственного руководства группами работников.
Лекция № 1
Понятие системы и её свойства
Основным понятием теории управления (ТУ) является понятие системы. Система - это устойчивая совокупность, определенным образом взаимодействующих элементов, процессов и явлений, образующих некоторую целостность.
Входящие в систему элементы и связи между ними образуют её структуру. Структура отражает наиболее существенные, устойчивые связи между элементами системы и их группами, ко-торые обеспечивают основные свойства системы. Например, если рассматривать как систему ВУЗ, то основными элементами структуры данной системы будут ректорат, факультеты, кафедры и т.д.
Существенным понятием является также понятие состояние системы, т.е. совокупности её параметров.
Состояние системы может характеризоваться определенными качественными параметрами и численными величинами, каковыми для ВУЗа, например, могут быть: уровень подготовки и численность студентов, преподавателей и т.п.
Всё, что не относится к системе, называется внешней средой. Внешняя среда оказывает на систему определенные воздействия (рис 1.1). В свою очередь, система может воздействовать на среду.
Взаимодействие
Рис. 1.1.
По природе элементов системы могут быть абстрактные и реальные. Выделение элементов в систему и разделение среды и системы могут иметь относительный характер и определяться задачами исследования и практической необходимостью, поэтому система и реальный объект не всегда одно и тоже.
Воздействия внешней среды на систему не являются управляющими, т.к. они имеют случайный или вероятностный характер и могут быть существенными и несущественными. При этом, если вторые оказывают практически незаметные воздействия (к примеру, небольшие колебания атмосферного давления практически не скажутся на работе автотранспорта), то первые приводят к изменению поведения системы и требуют управляющих воздействий (сильный снегопад требует организации расчистки дорог для автотранспорта).
Изучение работы систем предполагает знание их свойств. К основным свойствам систем, помимо относительности, указанной выше, можно отнести равновесие, устойчивость. Кроме того, они обладают делимостью и иерархичностью, т.е. каждая система может рассматриваться, как часть системы более высокого уровня иерархичности.
Равновесие системы представляет собой ее способность в отсутствии внешних воздействий сохранять заранее заданное состояние. Устойчивость характеризуется, как способность системы возвращаться в состояние равновесие после того, как она была выведена из него под влиянием внешнего воздействия.
Основными объектами изучения в теории управления и кибернетике являются большие сложные системы (БСУ). К таким системам могут быть отнесены СУ крупными предприятиями, техническими объектами (корабль, самолет, электростанция и т.п.), СУ воздушным движением, противовоздушной обороной, обслуживанием пассажиров на транспорте и т.д.
Отличительными особенностями и свойствами БСУ, которые необходимо учитывать при их анализе, являются:
1) Наличие у всей системы общего назначения (цели), определяющего единство ее функционирования, несмотря на разнообразие входящих в нее элементов. Например, у ВУЗа основной целью является качественное обучение студентов;
2) Наличие большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. При этом изменение характера работы одного из элементов обычно отражается на функционировании других, и всей системы в целом, что также можно проследить на примере ВУЗа;
3) Сложность структуры и связей элементов системы, их переменность, обеспечивающая многорежимный характер функционирования и возможность адаптации к изменениям, что для ВУЗа, например, проявляется в организации дневного, вечернего, заочного и дистанционного обучения;
4) Система, а также входящие в нее элементы являются многофункциональными. Например, кафедра ВУЗа ведет учебную, научную и воспитательную работу;
5) Система содержит сложную сеть как причинных, так и случайных связей. При этом одни элементы могут иметь непосредственную связь, другие - косвенную, третьи - очень отдаленную. Такой характер связей относится как к внутренним компонентам системы, так и к взаимодействию с внешней средой. Примером непосредственной связи в ВУЗе является связь студентов и преподавателей, косвенной - студенты и бухгалтерия, отдаленной – студенты и ректорат;
6) Взаимодействие элементов в системе может происходить на основе обмена информацией, энергией, материалами, продукцией, и др. Эта особенность наиболее полно проявляется на производстве, где идет обеспечение процесса технической документацией, электроэнергией, материалами и межцеховой продукцией;
7) Структура системы в большинстве случаев является многоуровневой (иерархической) для улучшения управления. При этом сочетается централизованное управление и определенная автономность частей системы;
8) Наличие больших потоков информации, сложной информационной структуры, достаточно сложных алгоритмов переработки информации;
9) Сложная система, помимо объемности числа элементов и связей, характеризуется неопределенностью, т.к. в некоторых случаях трудно предсказать результат того или иного управляющего воздействия из-за сложности взаимодействия целей и интересов, как отдельных элементов, так и групп.
Вышеперечисленные особенности БСУ можно дополнить такими свойствами :
• неаддитивность (большая система не равна сумме подсистем в нее входящих);
• синергичность (однонаправленность действий в системе, которая приводит к усилению конечного результата);
• мультипликативность (эффекты как отрицательные, так и положительные в больших системах обладают свойством умножения);
• целостность (отсутствие необходимости добавления или устране-ния отдельных структурных элементов системы для повышения эффективности и устойчивости функционирования);
• обособленность (относительная изолированность, автономность тех или иных систем);
• адаптивность (способность системы приспосабливаться к изменениям внутренних и внешних условий таким образом, чтобы не нарушалась ее стабильность и эффективность, см.выше п.3);
• совместимость (все элементы системы должны обладать свойством взаимоприспособляемости);
Названные особенности (свойства) БСУ необходимо учитывать при их создании, усовершенствовании, прогнозировании их поведения и организации управления ими. Знание и учет этих особенностей позволяет более глубоко анализировать работу таких систем и достигать большей эффективности их работы.