Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
лекции / лекции.doc
Скачиваний:
95
Добавлен:
22.02.2014
Размер:
1.11 Mб
Скачать

Введение

Цель курса состоит в изучении принципов автоматического управления, типов систем автоматического управления, используемых в технике, математического аппарата исследования линейных САУ, основных элементов и характеристик САУ, методов анализа САУ на устойчивость и качество управления, способов корректировки свойств линейных САУ.

Теория автоматического управления (ТАУ) появилась во второй половине 19 века сначала как теория регулирования. Широкое применение паровых машин вызвало потребность в регуляторах, то есть в специальных устройствах, поддерживающих устойчивый режим работы паровой машины. Это и явилось началом научных исследований в области управления техническими объектами. Оказалось, что результаты и выводы данной теории могут быть применимы к управлению объектами различной природы с различными принципами действия. В настоящее время сфера ее влияния распространилась на анализ динамики таких систем, как экономические, социальные и т.п. Поэтому прежнее название «Теория автоматического регулирования» было заменено на более широкое – «Теория автоматического управления».

1. Общая характеристика систем автоматического управления

    1. Основные понятия теории автоматического управления

Основой управления является получение и обработка информации о состоянии объекта и внешних условиях его работы для определения воздействий на объект, обеспечивающих достижение цели управления.

Управление, осуществляемое без участия человека в динамике работы объекта, называется автоматическим управлением. Совокупность объекта управления и управляющего устройства образует систему автоматического управления (САУ). Основной задачей автоматического управления является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин, характеризующих процессы, протекающие в ОУ, без непосредственного участия человека. Эти величины называются управляемыми величинами.

Структурная схема САУ (рис.1.1,а)содержит объект управленияОУ и управляющее устройство УУ. Состояние объекта характеризуется вектором Y, компонентами которого являются отдельные выходные величины. От управляющего устройства на вход объекта поступает управляющее воздействие (управление) U. К объекту приложено также возмущающее воздействие (возмущение, помеха) F, которое стремится изменить состояние объекта, т.е. Y, препятствуя или способствуя управлению. На вход управляющего устройства подается задающее воздействие (задание) G, содержащее информацию о требуемом значении Y, т.е. цели управления. Переменные U, G и F в общем случае являются векторами, как и Y. Как показано на рис.1.1,ав самом общем случае на вход управляющего устройства, помимо задающего воздействияG, поступает также информация о текущем состоянии объекта Y и о воздействующем на объект возмущении F. Управляющее устройство обрабатывает получаемую информацию по определенному алгоритму. В результате на его выходе возникает управляющее воздействие.

На рис.1.1,б изображена функциональная схема САУ, на которой показаны составные части управляющего устройства: устройство измеренияУИ, вычислительное устройство ВУ и исполнительное устройство ИУ.

УИ служит для измерения переменных Y, G, F. ВУ реализует алгоритм работы управляющего устройства. ИУ предназначено для непосредственного управления объектом, т.е. изменения его состояния в соответствии с сигналом, выдаваемым вычислительным устройством.

Рис.1.1

САУ бывают непрерывного и дискретного действия, линейные и нелинейные. Непрерывная система состоит только из звеньев непрерывного действия, т.е. звеньев, выходная величина которых изменяется плавно при плавном изменении входной величины. Дискретная система содержит звенья дискретного действия (импульсные, релейные).

В отличие от линейных САУ, нелинейные системы наряду с линейными содержат хотя бы одно нелинейное звено. В общем случае нелинейные САУ описываются нелинейными дифференциальными уравнениями, что значительно усложняет их исследование. Во многих случаях удается упростить задачу анализа нелинейной САУ, применив метод линеаризации, при котором производится кусочно-линейная аппроксимация нелинейной характеристики нелинейного элемента. Для каждого линейного участка выходной процесс рассчитывается по рекурсивным уравнениям, а при переходе на следующий участок учитываются ненулевые начальные условия на границе перехода с одного линейного участка на другой.

В зависимости от количества входных и выходных координат САУ делятся на многомерные и одномерные.

В многомерных САУ входная и выходная переменные являются векторами. Многомерная система может иметь много входов и выходов, а также возможен случай, когда у системы один вход и один выход, но несколько входных и выходных переменных.

Одномерные САУ имеют один вход и один выход. К ним относится большое количество различных систем управления и регулирования, используемых в различных областях техники. Теория САУ наиболее полно разработана для одномерных систем автоматического управления, причем основные понятия и общие соотношения, полученные для одномерных САУ, используются в теории многомерных систем.

САУ можно представить в виде функциональной схемы, элементы которой называются функциональными звеньями. Эти звенья изображаются прямоугольниками, в которых записывается функция преобразования входной величины в выходную (рис.1.2).

Рис.1.2 Рис.1.3

Эти величины могут иметь одинаковую или различную природу, например, входное и выходное электрическое напряжение, или электрическое напряжение на входе и скорость механического перемещения на выходе и т.п. В общем случае функциональное звено может иметь несколько входов и выходов (рис.1.3). Здесь u1, u2,...,un - входные (управляющие) воздействия; f1, f2,..., fm - возмущающие воздействия; y1, y2,..., yk - выходные величины.

Принцип работы функциональных звеньев может быть различным, поэтому функциональная схема не дает представление о принципе действия конкретной САУ, а показывает лишь пути прохождения и способы обработки и преобразования сигналов. Сигнал - это информационное понятие, соответствующее на принципиальной схеме физическим величинам. Пути его прохождения указываются направленными отрезками (рис.1.4).

Рис.1.4

Точки разветвления сигнала называются узлами. Сигнал определяется лишь формой изменения физической величины, он не имеет ни массы, ни энергии, поэтому в узлах он не делится, и по всем путям от узла идут одинаковые сигналы, равные сигналу, входящему в узел. Алгебраическое суммирование сигналов («+», «–») осуществляется в сумматоре.