Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова

Основы теории автоматического управления Конспект лекций

Архангельск

2011

УДК 674.093

ББК 32.965

Ш 95

Рассмотрен и рекомендован к изданию методической комиссией Института энергетики и транспорта ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет 21 декабря 2010 г.

Автор-составитель

В.А. Шульгин, ст. преподаватель

Рецензенты:

И.И. Василишин, канд. техн. наук, доц.;

Г.А. Баланцев, канд. техн. наук, доц.

Шульгин, В.А.

Ш 95 Основы теории автоматического управления: конспект лекций /авт.- сост. В.А. Шульгин. – Архангельск. ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова», 2011. – 170 с. : ил.

Содержит основные теоретические сведения о системах автоматического управления и их классификацию. Рассмотрены математические модели элементов и систем управления, временные и частотных характеристики звеньев и систем, статические и динамические свойства отдельных элементов, а также вопросы оценки устойчивости систем.

Предназначен для студентов, обучающихся по направлению подготовки 230200 «Информационные системы», специальностям 140104.65 «Промышленная теплоэнергетика», 140106.65 «Энергообеспечение предприятий» очной и заочной форм обучения, и других специальностей.

УДК 674.093

ББК 32.965

© ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический)

федеральный университет имени

М.В. Ломоносова, 2011

Терминология

Теория автоматического управления (ТАУ) как одно из основных направлений технической кибернетики изучает свойства различных, в основном технических устройств с целью заставить их работать с большей эффективностью для человека. Анализ этих свойств даёт основание для исследования возможностей повышения эффективности работы устройств в автоматическом режиме, т. е. без вмешательства человека – оператора.

Автоматизация процессов заключается в проектировании специальных устройств – систем автоматического управления (САУ). Назначение систем управления заключается в том, чтобы заставить управляемый объект выполнять возложенную на него задачу с желаемым качеством, двигаться по заданной траектории в пространстве и во времени.

Сами по себе объекты, в которых протекают процессы, не обеспечивают их желаемого хода, не устраняют отклонений от заданных режимов. Поэтому такие объекты (ОбУ) снабжаются регуляторами или устройствами управления (УУ).

Управление – это контролируемое воздействие на объект, предназначенное для достижения целевой функции (цели управления) – определенных критериев качества, которые могут включать в себя следующие условия:

• ограничения на максимальное и установившееся отклонение от заданного режима;

• получение желаемого вида переходных процессов;

• необходимость компенсации неблагоприятных факторов;

• уменьшение энергии, затраченной на управление и т. п.

Таким образом, система автоматического управления представляет собой объединение объекта и регулятора. В зависимости от субъекта, принимающего решения о воздействии на объект, управление может быть ручным и автоматическим.

Регулирование – это управление с целью обеспечения близости управляемых координат объекта к их заданным значениям – уставкам. Синонимами понятия уставки являются термины «желаемое» или «эталонное значение».

Следящее регулирование – это приведение управляемых координат к значениям заранее неизвестных, но доступных для измерения уставок путем их сравнения благодаря наличию в системе контура обратной связи (ОС).

Данное понятие включает в себя комплекс технических средств, обеспечивающих:

• измерение выходной переменной объекта с помощью датчика;

• измерение или генерирование по определенной программе сигнала уставки;

• формирование с помощью сравнивающего устройства сигнала невязки или ошибки регулирования – разности между уставкой и текущим значением управляемой переменной;

• преобразование ошибки регулирования в управляющий сигнал, подаваемый через исполнительное устройство на объект управления;

В правильно спроектированной системе управления сигнал невязки заставляет объект реагировать таким образом, чтобы свести к минимальной величину ошибки, а в идеале – до нулевого значения. Примером следящей системы может служить система автоматического наведения антенны локатора, телескопа, лазерного луча и т. п. на движущуюся цель, поддержание заданного значения температуры на объекте.

Стабилизация – это регулирование управляемых координат к постоянным уставкам с помощью обратной связи. Являясь частным случаем следящей системы, система стабилизации не требует непрерывного измерения уставки из-за ее постоянства в пределах рабочего интервала времени. Примером системы стабилизации может служить кондиционер, поддерживающий заданную температуру воздуха.

Программное регулирование – это регулирование координат объекта по определенному закону – заранее известной функции времени. Типичными примерами устройств с программным управлением могут служить:

• робот-манипулятор, переносящий деталь по заданной траектории;

• система автоматической посадки самолета по специальной траектории – глиссаде;

• программа автопилота летающего объекта в соответствии с командами из программного модуля управления;

При полностью известных условиях работы объекта и в отсутствии факторов, отклоняющих его движение от заданного, программное управление является надежным и дешевым методом управления.

Возмущение – это неуправляемое воздействие извне на любой элемент системы, как правило, затрудняющее достижение цели управления. Примерами возмущений являются:

• боковой ветер или течение, сносящее самолёт или судно с заданного курса;

• инструментальные погрешности настройки датчиков, из-за чего последние сообщают регулятору недостоверную информацию о состоянии системы;

• дестабилизация напряжения питания отдельных электронных устройств;

Учет возмущений, возможность их измерить и использовать для корректировки управления, позволяет компенсировать их вредное влияние на объект.