Основные понятия и определения
Автоматика – отрасль науки и техники, охватывающая теорию и практику автоматического управления, а также принципы построения автоматических систем.
Автоматическое регулирование – поддержание заданного значения какой - либо физической величины без непосредственного участия человека с помощью специальных автоматических регуляторов. Примерами системы автоматического регулирования (САР) являются стабилизатор напряжения, система АРУ, система АПЧ гетеродина приемника.
Автоматическое управление – изменение по некоторому закону какой - либо физической величины без непосредственного участия человека с помощью специальных автоматических управителей. Примеры систем автоматического управления (САУ): системы автосопровождения движущихся объектов по дальности (АСД) и направлению (АСН), следящий измеритель скорости подвижных объектов, системы вращения антенны обзорной радиолокационной станции.
САУ – общее название всех автоматических систем (САР – частный случай систем автоматического управления).
Элемент автоматики – звено автоматической системы, выполняющее определенную функцию и характеризующееся назначением, принципом действия, устройством (конструкцией), электронной схемой. По функциональному признаку все элементы автоматики объединяют в группы: задающие, чувствительные, усилительные, исполнительные, преобразовательные, корректирующие элементы и объекты управления (основные элементы САУ).
1.2. Функциональная схема замкнутой автоматической системы
Схема автоматической системы, составленная по функциональному признаку входящих в нее элементов, называется функциональной. Элементы системы изображаются на ней в виде прямоугольников (рис. 1.1), в которые вписаны первые буквы названия элемента (ЭС – элемент сравнения, ЧЭ – чувствительный элемент, У – усилитель, ИУ – исполнительный элемент, ОУ – объект управления).
Переменные, характеризующие состояние объекта управления, называются выходными переменными или выходными сигналами системы. Точки системы, в которых выходные сигналы могут наблюдаться в виде определенных физических величин, называются выходами системы.
Любой объект управления и элемент системы могут испытывать (воспринимать) внешние воздействия. Точки системы, в которых приложены внешние воздействия, называются входами, а сами внешние воздействия могут быть разделены на задающие и возмущающие воздействия.
Рис. 1.1
Сигналы, содержащие необходимую для управления информацию, называются полезными, а не содержащие такой информации – мешающими (помехами).
Понятие входов и выходов условно и относится всегда только к определенной системе. В схеме, представленной на рис. 1.1, существуют один вход x(t) и один выход y(t). Такие системы называются одномерными; системы с несколькими входами и выходами называются многомерными.
Одномерные системы, имеющие только одну главную обратную связь (ГОС), называются одноконтурными. Одномерные системы, имеющие, кроме главной обратной связи, одну или несколько местных обратных связей (охватывающих отдельные элементы или их группы), называются многоконтурными. Многомерные системы всегда являются многоконтурными.
Задача управления заключается в том, чтобы обеспечить изменение во времени управляемой переменной в соответствии с задающим воздействием x(t). Математически это формулируется так: y(t) = x(t).
Управление осуществляется с помощью устройства управления (ЭС, ЧЭ, У и ИУ), которое формирует управляющее воздействие (t), приложенное к объекту управления. Элемент сравнения и чувствительный элемент образуют измеритель рассогласования (дискриминатор (Дк)), который в конструктивном отношении представляет единый функциональный элемент. Наличие рассогласования (ошибки) e=x–y приводит к тому, что на выходе дискриминатора формируется, так называемый сигнал ошибки, представляющий собой постоянное или медленно меняющееся напряжение u(t), величина и знак которого определяются величиной и знаком ошибки. После усиления сигнал ошибки преобразуется в управляющее воздействие, которое изменяет управляемую переменную таким образом, чтобы свести ошибку к нулю. Достигается это посредством главной обратной связи, по которой управляемая переменная поступает на вход элемента сравнения. Это единичная отрицательная обратная связь, так как коэффициент передачи этой цепи равен –1 (выходная переменная поступает на вычитающий вход элемента сравнения).
Характер управляющего воздействия определяется видом исполнительного устройства и объекта управления. Например, в угломерных электромеханических следящих системах в качестве объекта управления выступает антенна, угол поворота которой определяется механическим воздействием, создаваемым электродвигателем, связанным с антенной посредством редуктора (то есть исполнительное устройство электромеханическое). Примерами чисто электронных автоматических систем являются системы частотной автоподстройки (АПЧ и ФАПЧ), в которых объектом управления является подстраиваемый генератор, а исполнительным устройством – управитель частотой на основе варикапа.
Отличительной чертой любой замкнутой автоматической системы является то, что ее работа основана на сравнении входной и выходной переменных (принцип работы по отклонению). В отличие от замкнутых в разомкнутых автоматических системах отсутствует главная обратная связь, а управление осуществляется без учета информации об ошибке, поэтому точность таких систем ниже, чем замкнутых. Такие системы называют системами, работающими по возмущению. Примеры разомкнутых автоматических систем: стабилизатор напряжения, система вращения антенны обзорной РЛС и прочее.