В в е д е н и е
На данном этапе языки применяются для решения задач с использованием известных методов алгоритмизации, которые рассматриваются как средство развития логического мышления и получения начальных знаний об этих языках.
Более сложным этапом обучения считается моделирование явлений, процессов и систем, в частности, динамических систем управления объектами. Кроме специальных знаний, этот этап требует дополнительных сведений о языке и операционной системе, об организации программ для моделирования в относительном (машинном) и реальном времени, методах программирования таймера, линий задержек, узлов и блоков систем управления.
Вся совокупность вопросов по цифровому моделированию не может быть рассмотрена в данной разработке. В силу ограниченности вопросов вторая часть может рассматриваться только как введение в математическое моделирование систем управления.
Для закрепления знаний, полученных на первом этапе обучения, при моделировании узлов, блоков и структурных схем систем управления рекомендуется использовать ТУРБО-ПАСКАЛЬ.
Метод моделирования, основанный на использовании разностных уравнений в рекуррентном виде, не требует от студентов дополнительных специальных знаний и является несложным для усвоения студентами. Решение разностных уравнений является приближенным решением дифференциальных уравнений с довольно высокой степенью точности. Этот метод позволяет моделировать и исследовать любые сложные структуры систем управления без знания специальных пакетов программ для моделирования. В процессе моделирования студенты получают навыки разработки значительных по объему программ на языке ТУРБО-ПАСКАЛЬ.
1. Введение в математическое моделирование систем управления
1.1. Понятие системы управления
Системы управления (регулирования) используются в различных областях народного хозяйства: в энергетике, металлургии, химии, машиностроении и других областях, включая сельское хозяйство, а также бытовую аппаратуру. Роботы, робототехнические системы и комплексы вообще немыслимы без систем управления.
Системой
управления
называется система, которая служит для
обеспечения требуемой функциональной
связи между вектором (сигналом) управления
и вектором (сигналом) состояния объекта
(процесса)
посредством их сравнения. Любая система
управления (регулирования) состоит из
трех основных частей: управляющего
блока (регулятора), объекта управления
(процесса) и сравнивающего (чувствительного)
элемента. На рис. 1.1. показана простая
одноконтурная система управления, где
ЗД – задатчик; СЭ – сравнивающий элемент;
Р – регулятор (управляющий блок); объект
регулирования (управления);
− задающее воздействие;
− ошибка регулирования;
− регулирующее воздействие;
−
выходная регулируемая величина;
− сигнал главной (отрицательной) обратной
связи;
и
−
внешние возмущения.
Рис. 1.1. Структурная схема системы управления
В
исходном состоянии
и
ошибка регулирования
(с учетом зоны нечувствительности
регулятора). При изменении выходной
величины
на
,
на входе регулятора
изменяется на величину
(так как
).
Регулятор отрабатывает возникшее
рассогласование и возвращает выходное
значение в заданное
.
Согласно ГОСТу такие системы (без участия человека) называются автоматическими системами регулирования (управления) — АСР и АСУ, а с участием оператора - автоматизированными.
АСР и АСУ могут быть аналоговыми, цифровыми и гибридными. В настоящее время для управления технологическими процессами широко используются микропроцессорные системы управления. Однако на действующих предприятиях большинство составляют электронные аналоговые АСР, которые еще длительное время будут оставаться в качестве основных систем. В большинстве случаев такие системы уже не справляются с задачами качественного ведения технологических процессов, требования к которым значительно возросли. Что касается робототехнических систем управления, то, несмотря на то, что они строятся на базе микропроцессорной техники, алгоритмы управления являются примитивными, когда речь идет о программируемых роботах 1-го и 2-го поколений.
Большинство технологических объектов работают в условиях внутренних и внешних возмущений. Особенно трудным становится управление при изменении нагрузки, когда процесс претерпевает сильные изменения. В таких условиях параметры регулятора должны подстраиваться, то есть оптимизироваться с целью получения высококачественного управления (точность и быстродействие при технологических ограничениях).
Наилучшим выходом из таких ситуаций является разработка и внедрение таких систем, которые способны сами определять, как и каким образом изменяются параметры объекта (производить количественную и качественную оценку параметров), и производить самонастройку параметров регулятора (блока управления) в соответствии с заданным критерием качества. Таким образом, речь идет о создании приспосабливающихся АСР (АСУ), которые принято называть адаптивными и адаптивными оптимальными.