1. Основные понятия и определения

Задача автоматизации состоит в осуществлении АУ различными техническими процессами. Технологический процесс можно расчленить на более простые, связанные между собой процессы и выделить, таким образом, рабочие операции, результатом которых является преобразование материала, энергии, информации, и операции управления, обеспечивающие задание режимов.

Рабочие операции сопряжены с затратами энергии и если их выполняет человек, то затрачивается его физическая сила. Замена труда человека в рабочих операциях работой машин называется механизацией.

Совокупность операций управления образует процесс управления. Под управлением понимают такую организацию того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенной цели. На операции управления затрачивается интеллектуальный труд человека.

Замена труда человека в операциях управления действиями технических управляющих устройств называется автоматизацией. Техническое устройство, выполняющее операции управления без непосредственного участия человека, называется автоматическим устройством.

Совокупность технических средств, выполняющих данный процесс, является объектом управления. Совокупность средств управления и объекта образует систему управления. Система, в которой все рабочие операции и операции управления выполняют автоматические устройства, называется автоматической. Система, в которой автоматизирована только часть операций, называется автоматизированной.

Частным случаем управления является регулирование. При регулировании координаты процесса (давление, температура, расход, положение) поддерживаются на заданном значении с помощью специальных устройств – автоматических регуляторов. Совокупность автоматического регулятора и регулируемого объекта образует систему автоматического регулирования. Объекты управления и регулирования по своей физической природе разнообразны, но принципы построения систем управления и регулирования неизменны для всех объектов.

2. Звено направленного действия

Для изображения САУ (регулирования) используют структурные схемы, в которых элементы системы изображают в виде прямоугольников, а связи между элементами – стрелками, показывающими направление передачи сигнала (рис. 1.1а, б).

Рис. 1.1. Примеры изображения объектов с входными и выходными сигналами:

а) один элемент системы; б) несколько элементов системы;

в) односвязный, характеризуется наличием векторов с одной координатой;

г) многосвязный, характеризуется несколькими взаимосвязанными координатами

Любой элемент системы (рис. 1.1в, г) характеризуется входной координатой (сигналом) и выходной координатой y(t), которая зависит от входного сигнала. Входная координата может быть управляющей (регулирующей) – x(t) и возмущающей – f(t). Возмущающее воздействие f(t) вызывает отклонение управляемой (регулируемой) координаты от заданного значения. Управляющее (регулирующее) воздействие x(t) служит для поддержания регулируемой координаты y(t) или задания управляемой координаты в соответствии с некоторым законом управления.

При исследовании систем управления первостепенное значение приобретает характер преобразования сигналов в отдельных элементах, или звеньях. Динамические системы, передаточные функции которых имеют вид простых дробей, называются типовыми или элементарными звеньями. Любой промышленный объект представляется в виде связанных между собой типовых звеньев. Их основу составляет звено направленного действия, основное свойство которого заключается в том, что выходная величина y(t) зависит от входной величины x(t), но обратное воздействие выхода на вход отсутствует. Присоединение к выходу такого звена другого звена не изменяет передаточной функции первого звена.

Различают следующие звенья: усилительное, интегрирующее, идеальное и реальное дифференцирующие, форсирующее, чистого запаздывания, инерционно-форсирущее, апериодические первого и второго порядка, колебательное, которые по ряду общих закономерностей можно разделить на следующие группы:

1. Статические звенья, у которых статическая характеристика отлична от нуля, имеют однозначную связь между входной и выходной переменными в статическом режиме. К ним относят усилительное,апериодическое, колебательное звенья, у которых передаточный коэффициент связан с передаточнойфункцией соотношением . Кроме того, статические звенья являются фильтрами низкой частоты, исключение составляет усилительное звено.

2. Дифференцирующие звенья, у которых статическая характеристика равна нулю, - это идеальноеи реальное дифференцирующие звенья; в их передаточную функцию всегда входит сомножитель s, поэтому Дифференцирующие звенья являются фильтрами высокой частоты, они вносят положительные фазовые сдвиги.

3. Астатические звенья - звенья, не имеющие статической характеристики, к ним относится интегрирующее звено, в передаточную функцию которого обязательно входит сомножитель поэтому W(0) = ∞. Интегрирующие звенья являются фильтрами низкой ча