Литература
-
Попович М.Т., Ковальчук О.В. Теорія автоматичного керування. – К.: Либідь, 1997. – 544 с.
-
Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования. – М.: Наука, 1989. – 304 с.
-
Острем К., Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ: Пер.с англ. – М.: Мир, 1987. – 480 с.
-
Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Автоматическое регулирование непрерывных линейных систем. – М.: Энергия, 1980.– 288 с.
-
Квакернаак Х., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления. – М.: Мир, 1977. – 650 с.
-
Изерман Р. Цифровые системы управления. – М.: Мир, 1984. – 541 с.
-
Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления. – М.: Машиностроение, 1986. – 448 с.
-
Гостев В.И., Худолий Д.А., Баранов А.А. Синтез цифровых регуляторов систем автоматического управления.– К.: Радіоаматор, 2000. – 400с
-
Теория автоматического управления: Учебник для машиностроит. спец. вузов / В.Н.Брюханов, М.Г.Косов, С.П.Протопопов и др.: Под ред. Ю.М. Соломенцева. – 3-е изд., стереотип.– М: Высш. шк., 2000. – 268 с.
-
Герасимяк Р.П. Теорія автоматичного керування. Збірник задач: Навчальний посібник. – О.: Наука і техніка, 2003. – 108с.
Лекция 1
Наша жизнь не мыслима без использования различных систем управления.
Одну из первых систем управления изобрел русский ученый И.И. Ползунов.
Автоматический регулятор уровня воды в котле паровой машины
Следующим в истории техники автоматическим регулятором, получившим широкое распространение, был регулятор, изобретенный Уаттом.
Центробежный регулятор скорости вращения вала паровой машины
Теория управления – это совокупность методов, позволяющих выработать и обосновать решение, которое принимается для достижения заранее поставленной цели, в условиях какой-либо определенной ситуации (А.М. Летов).
Теория автоматического управления – наука о методах проектирования законов управления какими-либо объектами, которые могут быть реализованы с помощью технических средств автоматики.
Обычно различают объект управления (ОУ) и устройство управления (УУ).
В объекте управления реализуется некоторый процесс, нуждающийся в целенаправленном воздействии (управлении) со стороны УУ для достижения целей управления.
Система автоматического управления (САУ) – это совокупность взаимосвязанных объектов, которая в течение длительного времени нужным образом изменяет (или поддерживает постоянными) заданные физические параметры в определенном физическом процессе без вмешательства человека.
Основные задачи ТАУ
-
Анализ управляемости системы.
Анализ возможности построения управления, которое обеспечивает желаемое поведение системы .
-
Анализ наблюдаемости системы.
Анализ возможности определения по измеряемым выходным сигналам значений недостающих выходных сигналов. Если система наблюдаема, то это возможно сделать, если же по измеряемым выходам определить недостающие выходы невозможно, то система называется ненаблюдаемой.
Физический смысл управляемости и наблюдаемости следующий: если система не управляема либо не наблюдаема, то в системе имеются обособленные объекты.
-
Синтез законов управления.
Разработка законов управления, проектирование регуляторов, выбор функциональной и структурной схемы регулятора, расчет его параметров.
-
Анализ качественных показателей процессов управления.
Проверка предъявляемых к САУ требований, проведение качественного анализа поведения системы, оценивание ее точностных и динамических характеристик.
Разомкнутые и замкнутые САУ
В разомкнутых системах процесс работы системы не зависит непосредственно от результата ее воздействия на управляемый объект.
В
замкнутых
системах
выход системы замыкается с входом таким
образом, чтобы измеряемые контролируемые
величины, характеризующие определенный
процесс, сами служили бы источником
воздействия на систему, причем величина
этого воздействия зависела бы от того,
насколько наблюдаемая величина отличается
от заданной величины.
Основные компоненты замкнутой системы
Объект управления (ОУ), которым система должна управлять;
Датчик или несколько датчиков, которые обеспечивают получение информации об объекте;
Устройство управления (УУ) или регулятор – сравнивает измеренные и желаемые значения и регулирует входные переменные объекта.
С выхода задающего устройства поступает задаваемая переменная, требуемое значение управляемой величины.
На ОУ поступает входная переменная, которая воздействует на объект и может быть регулируемой.
На ОУ поступает также возмущающая переменная, которая воздействует на объект и не может быть регулируемой.
На выходе ОУ получаем выходную (управляемая) переменную, которой необходимо управлять.
С выхода датчиков получаем наблюдаемую переменную, которая служит для получения информации о состоянии ОУ и поступает на вход УУ. Обычно она искажается шумом наблюдений.
УУ по наблюдаемой и задаваемой переменным вырабатывает входную переменную.
САУ решают различные задачи управления, которые можно условно разделить на:
1) задачи слежения и как частный случай задачи стабилизации;
2) задачи терминального управления.
Система слежения – это система автоматического управления, в которой задаваемая переменная изменяется во времени, а выходная переменная отслеживает изменение этой переменной с заданной точностью.
Пример: антенна, которая отслеживает перемещение движущегося объекта.
Система стабилизации – это такая система автоматического управления, в которой задаваемая переменная является постоянной в течение продолжительного периода времени, а выходная переменная поддерживает значение этой переменной с заданной точностью.
Пример: саморегулируемая система отопления дома, которая поддерживает внутри дома постоянную температуру при существенных изменениях температуры окружающей среды.
Терминальная система – это такая система автоматического управления, в которой выходная величина должна достигнуть задаваемой величины за определенное время.
Пример: антенна, следящая за летательными объектами, принимает нужное угловое положение. Задача терминального управления состоит в том, чтобы переместить антенну в новое заданное угловое положение за минимально возможное время (в заданный момент времени) без перегрузки двигателя.
Следует различать системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные системы управления (АСУ).
Автоматизированная система управления (АСУ) – это техническая система, в состав которой кроме технических средств управления входят люди.
Например, многие автоматизированные системы управления производственными процессами. В простейших случаях в систему управления включается один человек-оператор.
Классификация систем автоматического управления
Все системы автоматического управления делятся по различным признакам на следующие основные классы:
-
По основным видам уравнений динамики процессов управления
а) линейные;
б) нелинейные.
Линейная система управления – эта система, которая описывается линейными уравнениями (алгебраическими и дифференциальными или разностными).
Если систему представить как ряд отдельных звеньев, и каждое звено имеет свой вход и свой выход, то динамика каждого звена описывается некоторым уравнением. Для линейной системы необходимо, чтобы статические характеристики всех звеньев были линейными.
Нелинейная система – система, в которой хотя бы в одном звене нарушается линейность статической характеристики (произведение переменных, их производных, корень, квадрат, или высшая степень переменной).
-
По видам параметров уравнений:
а) системы с постоянными параметрами описываются уравнениями с постоянными коэффициентами;
б) системы с переменными параметрами описываются уравнениями с переменными коэффициентами
Пример. Система управления роботом, у которого за счет изменения конфигурации манипулятора и грузов меняется момент инерции;
в) системы с распределенными параметрами описываются уравнениями в частных производных (
Пример. САУ управления волновыми процессами в трубопроводе, на линии электропередач.
г) системы с постоянными параметрами описываются уравнениями с запаздывающим аргументом.
Пример. Акустическая система линии связи, дозирование вещества с перемещением его на ленточном транспорте
-
По характеру передачи сигналов различают:
а) непрерывные системы;
б) дискретные (импульсные и цифровые);
в) релейные.
Непрерывная система – система, в которой в каждом звене непрерывному изменению входной величины во времени соответствует непрерывная выходная величина.
Дискретная система – система, в которой хотя бы одном из звеньев при непрерывном изменении входной величины выходная величина изменяется не непрерывно. а имеет вид импульсов, появляющихся через некоторые промежутки времени.
Цифровая система – это такая система, в состав которой, помимо обыкновенных звеньев, входят устройство управления, реализованные на ЦВМ.
Пример. АБС в автомобиле, автопилот на самолете.
Релейная система – система, в которой хотя бы одном из звеньев при непрерывном изменении входной величины выходная величина изменяется скачком. Статическая характеристика такого звена имеет точки разрыва.
Пример. Утюг с терморегулятором (включается и выключается с помощью реле), холодильник.
-
По характеру процессов управления:
а) детерминированные (определенные процессы и параметры);
б) стохастические (случайные процессы и параметры).
-
По характеру функционирования:
а) обычные системы;
б) адаптивные системы (самонастраивающие, самоорганизующиеся, экстремальные);
в) терминальные (достижение определенного состояния в заданный момент времени).
Каждый из этих классов в свою очередь делятся по ряду принципиальных признаков на различные типы и разновидности, не говоря уже о большом разнообразии конструктивного оформления и различной физической природе реальных систем.