Teoriya avtomatichnogo keruvannya

М. Г. Попович, 0. В. Ковальчук

Ш

АВТОМАТИЧНОГО

Затверджено Міністерством освіти і науки України

Підручник для студентів вищих технічних

навчальних закладів

Видання друге, перероблене і доповнене

Київ

Ипбідь"

ЛЮ7

Передмова

Останнім часом все більшого поширення набувають дискретні (в основному цифрові) системи автоматичного керування. Принципам побудови та дослідження таких систем присвячено окрему главу, в якій розглядається математичний апарат для дослідження імпульсних систем

стійкості й якості. Достатньо уваги приділено цифровим системам автоматичного керування та синтезу цифрових

ізбурюючих діях.

Удругому переробленому й доповненому виданні книги стисло висвітлено суть ряду нових наукових напрямів: методи фаззі-логіки, нейронних сіток, генетичних алгоритмів. Враховуючи вимоги до інтенсифікації

4

Глава ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

ПРО СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ

1.1

Основні поняття

Під автоматизацією розуміють проведення тих чи інших операцій без участі людини або з обмеженою її участю. У першому випадку процеси називають автоматични-

ми, а в другому — автоматизованими. Корінь наведених термінів «авто» походить від давньогрецького слова «аутос», що означає «сам», «самостійний».

Під автоматикою розуміють сферу науки й техніки, яка займається розробкою теоретичних методів і технічних засобів (елементів і систем), що забезпечують розв'язання завдань дослідження, виготовлення й експлуатації окремих установок і технологічних комплексів на основі їх автоматизації.

Автоматизований (автоматичний) процес може бути досить простим (наприклад, забезпечення сталого рівня рідини в деяких посудинах) і досить складним (забезпечення потрібного режиму роботи літака за допомогою автопілота).

При автоматизованому (напівавтоматичному) режимі роботи установки (механізму, машини), яку в загальному випадку називають об'єктом автоматизації, функція людини здебільшого зводиться до вмикання об'єкта або до виконання окремих ручних операцій.

Основні переваги автоматизації полягають у можливостях забезпечити:

•зростання продуктивності та поліпшення умов праці;

•виконання робіт у важкодоступних чи взагалі недоступних для людини сферах (радіоактивні зони, космос, окремі види металургійного та гірничого виробництва);

•підвищення точності, якості технологічних процесів і відповідних виробів;

б

1.1.Основні поняття

•зростання надійності та техніко-економічних показників і загальної культури виробництва та кваліфікації обслуговуючого персоналу.

Автоматизація ефективно застосовується на сучасному етапі розвитку людства для досягнення зростання показників ресурсота енергозбереження, поліпшення екології довкілля, якості та надійності продукції.

Автоматизація виробництва здійснюється за допомогою автоматичних пристроїв, які можна класифікувати за різними ознаками (при цьому під «пристроєм» розуміють закінчену конструкцію, яка може діяти самостійно).

Однією з найпоширеніших є класифікація за функціональним при значенням, згідно з якою виділяють такі автоматичні пристрої: автоматичного контролю та сигналізації, автоматичного захисту, об- чііслювально-лічильні, блокуючі, автоматичного керування.

П р и с т р ої автоматичного контролю та сигналізації забезпечують

контроль за перебігом технологічних процесів, станом приміщень та відповідну сигналізацію. І Іри нормальних умовах процесів використопупьен оптична сигналізація, а при появі відхилень від цих умов — оіпична іі акустична сигналізація. Як приклад можна навести автоматичні пристрої контролю тиску газу в магістралях, напруги і навантаження в електромережах.

Пристрої автоматичного захисту забезпечують захист об'єктів при появі загрози для обладнання, продукції або обслуговуючого пер-

• опалу. Наприклад, електричний захист (струмовий, за напругою), іпчип від перевищення швидкості на підіймальних установках, електричний захист від замикань на ґрунт, газовий захист масляних

7

Пристрої автоматичного керування забезпечують бажані зміни в ході процесів. Це — найскладніші і дуже поширені пристрої автоматики, теорія роботи яких і становить предмет вивчення курсу «Теорія автоматичного керування».

1.2

Короткі історичні відомості про розвиток автоматики,

теорії автоматичного керування та кібернетики

ТТ^важають, що автоматика є порівняно молодим на- Ю>прямом розвитку науки й техніки. Однак відомо, що ідеї автоматики і нескладні автоматичні пристрої використовува-

лися ще в давні часи в Єгипті, Греції та інших країнах. Так, жерці Єгипту користувалися різними автоматичними пристроями при спорудженні пірамід і храмів.

Про «залізну людину» феодала Альберта Великого, яка виконувала функції швейцара — відчиняла і зачиняла двері приймальної зали, відомо із середніх віків.

Проте автоматичні пристрої того часу ще суттєво не впливали на загальний розвиток людства і його продуктивних сил.

Першим автоматом, який мав помітний вплив на цивілізацію, був годинник. Для підвищення точності ходу годинників було розроблено відповідні регулятори: поплавковий — для водяних годинників і маятниковий (1675 р., голландський фізик і математик X. Гюйгенс) — для механічних.

Інтенсивний розвиток автоматики почався в XVIII — XIX ст. у зв'язку з промисловим переворотом в Європі, пов'язаним з використанням енергії пари.

Першим промисловим регулятором того часу був поплавковий регулятор, розроблений І. 1. Ползуновим для «вогнедіючої машини» (парового котла), яку він побудував у 1765 р. у м. Барнаулі.

Принципову спрощену схему машини Ползунова з поплавковим регулятором рівня води у паровому котлі К показано на рис. 1.1. При підвищенні витрат пари рівень води Я знижувався, поплавок П опускався і діяв на замикач 3, збільшуючи надходження води в котел.

8

1.2. Короткі історичні відомості про розвиток автоматики, теорії автоматичного керування та кібернетики

Мри зменшенні витрат пари надходження води в котел зменшувапоея. І Іе давало змогу різко зменшити коливання рівня води в котлі га рівня тиску пари.

І Іа принципі зміни керованих технологічних параметрів залежно від їх відхилення відносно заданого значення в 1784 р. англійський механік Дж. Уатт побудував відцентровий регулятор швидкості парової машини.

Принцип керування за відхиленням величини від заданого значення, відомий як принцип Ползунова—Уатта, дістав поширення в сучасній техніці.

V І830 р. Шиллінг у розробленому ним телеграфі запропонував вперше електромагнітне реле, яке дістало практичне застосування в різних сферах промисловості.

У 1854 р. російський військовий інженер К. І. Константинов створив перший електромагнітний регулятор швидкості переміщення іарматпих башт військово морських суден, який мав велике зна-

9