1. Основные понятия и определения
Предметом ТАУ является изучение процессов поддержания на требуемом уровне или изменения во времени по заданному закону каких-либо величин в машинах, аппаратах или в других технических устройствах, протекающих без непосредственного участия человека с помощью специальных приспособленных для этой цели приборов - автоматических регуляторов, а также изучение способов проектирования и расчета таких систем.
ТАУ базируется на трех принципах, являющихся базой для всей кибернетики.
1) Принцип независимости выводов и основных положений теории управления от физической природы устройств и протекающих в них процессов.
Изучаются не сами устройства, а процедура преобразования сигнала этими устройствами, выражаемая в самом простом случае связью между входной и выходной величинами. Это означает, что необходимо получить математическую модель (уравнение), определяющую свойства устройства в переходном (динамическом) и установившемся режимах.
Система автоматического управления обычно состоит из ряда устройств, т.е. может быть представлена рядом звеньев, имеющих между собой связи.
Широко используется метод схематического изображения систем: на этих схемах звенья изображаются прямоугольниками, а сигналы - связывающими их линиями.
2) Принцип передачи сигналов в математической модели устройства или системы управления заключается в том, что в каждом звене имеет место одностороннее распространение информации. Одностороннее распространение информации позволяет прослеживать пути прохождения сигналов в системах, как показано на рис.1.1.
Рис.1.1. Схема распространения сигналов
Согласно этому принципу обратное распространение информации обусловлено только за счет обратной связи, т.е. передачи информации с выхода звена на вход одного из предыдущих звеньев.
3) Принцип обратной связи состоит в том, что любая система автоматического управления (САУ) имеет обратную связь, сигнал которой поступает с выхода на управляющий вход.
Рис.1.2.
В общем случае САУ, как показано на рис.1.2, состоит из объекта управления ОУ, устройства обратной связи ОС, задающего устройства ЗУ, сравнивающего устройства СУ, регулятора Рег и исполнительного механизма (ИМ).
Автоматическое управление возможно тогда, когда САУ построена таким образом, что задающее воздействие fз(t) воспроизводится в регулируемую величину x(t) в соответствии с требуемым алгоритмом функционирования. Для этого применяют обратную связь. Воздействие выхода САУ на ее вход называют обратной связью. Введение обратной связи позволяет управлять при действии на ОУ возмущающих воздействий fв(t). Возмущающие воздействия могут быть внешними (например, сила или момент сопротивления) или внутренними (они обусловлены изменениями параметров ОУ, например, из-за нагрева).
Комплекс устройств, присоединяемых к ОУ и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения его управляемой величины и изменение последней по определенному закону, называют устройством управления (УУ).
Алгоритм функционирования УУ сводится к следующему: измерение фактического значения управляемой величины, сравнение фактического значения с заданным, выработка управляющего воздействия.
Таким образом, использование текущей информации об управляющих воздействиях и переменных на выходе систем управления позволяет создать основной класс систем управления - класс замкнутых систем управления с отрицательной обратной связью, в которых можно обеспечить достижение заданных целей управления при большой неопределенности возмущающих воздействий и изменения во времени параметров системы за счет управления по отклонению управляемой величины от предписанного закона ее изменения.
Управление - процесс организации такого целенаправленного воздействия на объект, в результате которого объект переходит в требуемое (целевое) состояние. Более частным случаем понятия “управление” является понятие “регулирование”. Регулирование состоит в достижении такого функционирования системы, при котором выравниваются все отклонения на выходе системы от заданного значения этого состояния, т.е. от нормы. Обеспечение только требуемых значений параметров, определяющих желаемый ход технологического процесса в том или ином объекте (например, металлорежущем станке) без участия человека, осуществляется системой автоматического регулирования. Заданное значение или норма состояния выхода системы может быть постоянной или переменной величиной. Следовательно, регулирование есть выравнивание отклонений от нормы, каждое значение которой определяется управлением.