1 Основные понятия и определения теории управления
Кибернетика — наука об общих закономерностях процессов управления — основывается на изучении объектов управления при внешних воздействиях, получении информации о протекании процессов в этих объектах и выработке управляющих воздействий, обеспечивающих оптимальное в определенном заданном смысле состояние объектов.
В настоящем курсе в качестве объектов управления рассматриваются технические устройства и в первую очередь наиболее простые. Наука об управлении техническими системами называется технической кибернетикой.
Автоматическим регулированием называется поддержание постоянной или изменение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс, осуществляемое при помощи измерения состояния объекта или действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта.
Под автоматическим управлением понимается автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.
Управление каким-либо объектом — это процесс воздействия на него с целью обеспечения требуемого течения процессов в объекте или требуемого изменения его состояния. Основой управления является получение и обработка информации о состоянии объекта и внешних условиях его работы для определения воздействий, которые необходимо приложить к объекту, чтобы обеспечить достижение цели управления.
Техническое устройство, с помощью которого осуществляется автоматическое управление объектом, называется управляющим устройством (прибором, системой или комплексом). Совокупность объекта управления и управляющего устройства образует систему автоматического управления (САУ) или автоматическую систему управления.
Объект управления (ОУ) – устройство (система), осуществляющее технический процесс и нуждающееся в специально организованных воздействиях извне для осуществления его алгоритма функционирования.
Объектами управления являются, например, как отдельные устройства электрической системы (турбогенераторы, силовые преобразователи электрической энергии, нагрузки), так и электрическая система в целом.
Алгоритм управления – совокупность предписаний, определяющая характер воздействий извне на объект управления, обеспечивающих его алгоритм функционирования.
Примерами алгоритмов управления являются алгоритмы изменения возбуждения синхронного генератора и расхода пара в их турбинах с целью компенсации нежелательного влияния изменения нагрузки потребителей на уровни напряжения в узловых точках электрической системы и частоту этого напряжения.
Устройство управления (УУ) – устройство, осуществляющее в соответствии с алгоритмом управления воздействие на объект управления.
Примерами устройств управления являются автоматический регулятор возбуждения (АРВ) и автоматический регулятор частоты вращения (АРЧВ) синхронного генератора.
Автоматическая система управления (САУ) – совокупность взаимодействующих между собой объекта управления и устройства управления.
Таковой, например, является автоматическая система возбуждения синхронного генератора, содержащая взаимодействующие между собой АРВ и собственно синхронный генератор.
Рис. 1.1. Блок-схема (а) и функциональная схема (б) системы автоматического управления
О — объект управления, УУ — управляющее устройство. Состояние объекта характеризуется выходной величиной X. В общем случае выходных величин несколько, и тогда состояние объекта характеризуется вектором X, координатами которого являются отдельные выходные величины.
От управляющего устройства на вход объекта поступает управляющее воздействие (управление) U. Помимо управляющего воздействия к объекту приложено также возмущающее воздействие (возмущение, помеха) F, которое изменяет состояние объекта, т. е. X, препятствуя управлению. На вход управляющего устройства подается задающее воздействие (задание) G, содержащее информацию о требуемом значении X, т. е. о цели управления. Переменные U, G и F в общем случае являются векторами, как и X.
ЧУ - чувствительное устройство, ВУ - вычислительное устройство, ИУ - исполнительное устройство.
Чувствительные устройства (измерительные устройства) служат для измерения переменных X, G и F.
Вычислительное устройство реализует алгоритм работы управляющего устройства, соответствующим образом перерабатывая поступающую от чувствительных устройств входную информацию. В простейшем случае оно осуществляет простые математические операции, такие, как операция сравнения, определяющая разность X — G, операции интегрирования, дифференцирования, статического нелинейного преобразования и т. п. В более сложных случаях вычислительное устройство может представлять собой вычислительную машину и даже комплекс таких машин.
Исполнительные устройства предназначены для непосредственного управления объектом, т. с. изменения его состояния в соответствии с сигналом, выдаваемым вычислительным устройством.
Помимо перечисленных выше частей, в состав управляющего устройства могут входить различные специальные устройства, например преобразователи, служащие для согласования отдельных частей системы, устройства связи и т. п.
2 Принципы управления
В основе построения системы автоматического управления лежат некоторые общие фундаментальные принципы управления, определяющие, каким образом осуществляется увязка алгоритмов функционирования и управления с фактическим функционированием или причинами, вызывающими отклонение функционирования от заданного. В настоящее время в технике известны и используют три фундаментальных принципа: разомкнутого управления, компенсации и обратной связи.
1. Принцип разомкнутого управления
используется на вспомогат. операц. (закрыт - открыт)
Работу систем автоматического управления можно описывать с помощью функциональных схем, которые показывают из каких элементов состоит система и как эти элементы связаны между собой.
Под функциональным элементом понимается конструктивно обособленная часть системы выполняющая определенные функции: измерения, усиления, сравнения, преобразования.
Недостаток: невысокая точность системы управления – отсутствие информации о действительном значении управляемой величины.
2. Принцип управления по возмущению.
Идея принципа: необходимо каким-либо образом измерить возмущающее воздействие и в зависимости от результатов измерения оказать на объект управления управляющее воздействие, устанавливающее вредное влияние измеренного возмущения.
Недостатки принципа:
- инвариантность управляемой величины обеспечивается лишь по отношению к тому возмущению, которое измеряется.
- инвариантность управляемой величины достигается лишь при строгом соответствии параметров элементов системы расчетным образом.
3. Принцип обратной связи:
ОУ – объект управления; ИП – измерительный преобразователь
ЗУ – задающее устройство; ЭС – элемент сравнения
У – усилитель устройства; ИУ – исполнительное устройство
РО – регулирующий орган
y(t) – управляемая, регулируемая величина.; g(t) – задающее воздействие
E(t) – ошибка регулирования; f(t) – внешнее воздействие
3 Виды автоматического управления
Система автоматического управления (САУ) поддерживает или улучшает функционирование управляемого объекта. В ряде случаев вспомогательные для САУ операции (пуск, остановка, контроль, наладка и т.д.) также могут быть автоматизированы. САУ функционирует в основном в составе производственного или какого-либо другого комплекса.
САУ классифицируются в основном по цели управления, типу контура управления и способу передачи сигналов. Первоначально перед САУ ставились задачи поддержания определённых законов изменения во времени управляемых величин. В этом классе систем различают системы автоматического регулирования (CAP), в задачу которых входит сохранение постоянными значения управляемой величины; системы программного управления, где управляемая величина изменяется по заданной программе; следящие системы, для которых программа управления заранее неизвестна. В дальнейшем цель управления стала связываться непосредственно с определёнными комплексными показателями качества, характеризующими систему (её производительность, точность воспроизведения и т. п.); к показателю качества могут предъявляться требования достижения им предельных (наибольших или наименьших) значений, для чего были разработаны адаптивные, или самоприспосабливающиеся системы. Последние различаются по способу управления: в самонастраивающихся системах меняются параметры устройства управления, пока не будут достигнуты оптимальные или близкие к оптимальным значения управляемых величин; в самоорганизующихся системах с той же целью может меняться и её структура. Наиболее широки, в принципе, возможности самообучающихся систем, улучшающих алгоритмы своего функционирования на основе анализа опыта управления. Отыскание оптимального режима в адаптивных САУ может осуществляться как с помощью автоматического поиска, так и беспоисковым образом.