Соломонцев Ю.М. Теория автоматического управления

Свойства системы — качества, позволяющие описывать систему и выделять ее среди других систем. Свойства характеризуются совокупностью параметров, одни из которых могут иметь количественную меру, другие выражаются лишь качественно. Свойства системы проявляются в процессе ее взаимодействия с внешней средой, причем система является активной стороной

Если некоторый объект определен как открытая система, то возникает вопрос: какие элементы 'включать в систему, а какие — отнести к внешней среде? Универсальных правил для решения этого вопроса не существует. Хотя конкретные системы по своему характеру объективны, на них в то же время наложен субъективный отпечаток, поскольку образующая их конфигурацияэлементов обусловлена требованиями задач, формулировку и решение которой осуществляет исследователь.

Очевидно, что внешняя среда воздействует на объект, а объект, в свою очередь, влияет на окружающую среду. Эти взаимодействия могут быть самыми различными: физическими (гравитационными, температурными, механическими и т. п.) и информационными, т. е. сигнальными (рис. 1.1).

Пример: объект — радиоприемник. Его воздействие по каналу Б на внешнюю среду имеет акустический характер, а внешняя среда (это мы) по каналу А настраивает его на станцию, изменяет уровень громкости, тембр передачи и т. п.

Объект выделяют из среды для того, чтобы целенаправленно управлять им. Производственный, технологический процесс или технический объект, нуждающийся для определенного взаимодействия с другими объектами или процессами в специальном организованном управляющем воздействии, называют объектом управления (ОУ). Объектом управления может быть отдельный механизм, машина, станок, агрегат, бригада рабочих или отдельный рабочий, цех или все предприятие и др.

Говоря об управлении как о целенаправленном процессе, введем понятие управляющего органа, который является источником целей, реализуемых управлением. Цели управления возникают у управляющего органа под влиянием его потребностей, связанных с его функционированием и взаимодействием с внешней средой и объектом управления. Управляющий орган находится в той же среде, что и объект управления, т. е. воспринимает состояние среды (А, Б). Если состояние объекта управления удовлетворяет требованиям управляющего органа, взаимодействую-

11

внешняя среда

Рис. 1.1. Схема взаиомдействия объекте с внешней средой

Рис. 1.2. Схема системы управления

вает управляющий орган, то ему необходимо организовать такое воздействие на ОУ, которое переведет его в новое состояние, удовлетворяющее управляющий объект. Это воздействие и есть управление. Следовательно, под управлением понимают процесс организации такого целенаправленного воздействия на

Управляющее воздействие на объект управления можно осуществить, если выполняются следующие условия: любой процесс управления должен быть целенаправленным, т. е. должна быть известна цель управления; существует правило (совокупность правил), позволяющих добиваться поставленной цели управления в различных ситуациях; существует управляющий орган, способный создавать в соответствии с правилом управления и целью управления управляющее воздействие.

В качестве управляющего органа можно рассматривать устройство или человека, управляющих станком, агрегатом, механизмом, процессом. Управляющим органом является также бригадир, осуществляющий руководство бригадой, управленческий персонал цеха, завода или учреждения.

Совокупность объекта управления и управляющего устройства, взаимодействие которых приводит к выполнению поставленной цели, называют системой автоматического управления (САУ).

Любой производственный, технологический процесс или технический объект характеризуются определенными физическими параметрами (расход вещества и энергии, режимы резания, температура, давление). Для обеспечения требуемого режима эти параметры необходимо поддерживать постоянными или изменять по определенному закону.

Параметр производственного, технологического процесса или технического объекта, который необходимо поддерживать постоянным или изменять по определенному закону, называют управляемым (управляемой величиной). Значение управляемого параметра, которое согласно заданию должно быть в данный момент времени, называют заданным значением управляемого параметра,

12

•-] /оаная

Рис. 1.3. Структурная схема автомата

В структурном аспекте любую систему управления можно представить взаимосвязанной совокупностью объекта управления

устройство и в действие приходит механизм выдачи. В противном случае — бракованная деталь удаляется из контрольного автомата.

Схему, изображающую последовательность процессов внутри устройства или системы, называют структурной схемой.

1.2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Для любых систем, в которых протекают процессы управления (технические системы или живые организмы), характерна одна общая черта: отдельные элементы этих систем вза-

сходство и единство процессов управления.

Информация всегда связана с материальным носителем ка- кой-либо физической величины. В технических системах материальные носители информации называют носителями сигналов (например, электрическое напряжение и ток, давление, механическое перемещение и др.), которые можно изменять в соответствии с передаваемой информацией. Конструктивные элементы системы должны преобразовывать одни физические величины (и соответствующие им сигналы) в другие. Этот процесс отражается в кибернетическом понятии звена системы.

Звено — элемент, входящий в САУ, в котором определенным образом преобразуется входной параметр в выходной. Схематическое изображение звена (рис. 1.4) в виде блока не отражает особенностей его конструкции. Интерес представляет только связь между воздействием на вход звена и его реакцией на выходе. Такой подход позволяет создавать модели элементов самых

• различных природных систем, техники и имитировать их пове-

13

Входной

параметр

ЗУ оказывает управляющее воздействие g (x) на вход системы, которое может иметь постоянную заданную величину при необходимости поддержания постоянного заданного значения управляемой величины или же изменяться по определенному закону.

Воздействие выхода системы управления на ее вход называют обратной связью. Введение обратной связи позволяет управлять при изменении параметров объекта управления и недостаточности наших знаний о его поведении.

Воздействие входного сигнала на объект управления, переработка его в выходной сигнал и обратное воздействие выхода через канал обратной связи на входную величину представляет собой процессы передачи и переработки информации.

Комплекс устройств, присоединяемых к объекту управления и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения его управляемой величины или автоматическое изменение последней по определенному закону, называют устройством управления.

Алгоритм управления САУ 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 изменений во времени структуры и параметров системы за счет уменьшения чувствительности к этим возмущающим воздействиям, вариациям структуры и параметров.

Наиболее полно понятие суправление> применительно к техническим системам сформулировал академик А. И. Берг.

14

«управление» является понятие «регулирование». Регулирование состоит в достижении такой деятельности системы, при которой выравниваются все отклонения на выходе системы от заданного значения этого состояния, т. е. от нормы. Обеспечение только требуемых значений параметров, определяющих желаемый ход производственного или технологического процесса в том или ином объекте без участия человека, осуществляется системой (устройством) автоматического регулирования.

Заданное значение или норма состояния выхода системы может быть постоянной или переменной величиной. В первом случае говорят о прямом регулировании, совмещенном с управлением (в этом случае регулятор называют контроллером или управляющим устройством). Во втором случае регулирование заключается в корректировке отклонений состояния выхода системы от каждого значения переменной нормы этого состояния. Следовательно, регулирование есть выравнивание отклонений от нормы, каждое значение которой определяется управлением.

Не следует путать понятие «управление» с понятием «организация производства». Организация производства — порядок, структура и способ функционирования. Функции организации имеют отношение к объекту или системе управления, характеризуя присущие ей свойства, структуру, состав, взаимосвязь и процесс взаимодействия составляющих элементов. Организация — статика производства, управление — динамика. Однако «статика» отнюдь не означает незыблемости, отсутствия движения. В более широком смысле она может означать и непрерывное циклическое повторение, жесткий регламент, режим, возвращение каждый раз в исходное состояние. Организация как форма существования системы обладает свойством динамичности, что подтверждается непрерывным процессом внедрения на предприятии новой техники, технологии, повышением уровня автоматизации управления. Организация производства и система управления тесно взаимосвязаны. На действующем предприятиисовершенствование организации производства сопровождается совершенствованием системы управления, и, наоборот, необходимость совершенствования системы управления вызывает первоочередное проведение работ по совершенствованию организации производства. Если не придерживаться этого условия, может возникнуть диспропор-

ция между уровнями организации производства и системы управления.

1.3. ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ

Объект управления подвержен воздействию различных внешних возмущений, вследствие чего управляемая величина отклоняется от заданного значения. Задачей устройства

15

основным для большинства современных САУ. Недостатки — затруднено управление, возникающее при разработке быстродействующих систем управления, особенно для сложных инерционных объектов. Стремление повысить точность работы такой системы и увеличить коэффициент усиления приводит к потере устойчивости. Решение — в комбинированном управлении.

Комбинированное управление. САУ, в которых используется информация одновременноо трех воздействиях: g (х), у (t) и / (t), называют комбинированными. Комбинированные САУ имеют более высокое качество управления, чем системы, работающие только по отклонению, так как информация о значении возмущающего воздействия / (t) позволяет устройству управления работать с предвидением, т. е. начинать компенсацию внешнего возмущения, нарушающего нормальную работу объекта управления, раньше, чем возникнет достаточно большое отклонение.

Одновременно это дает возможность повысить точность и быстродействие системы.

1.4. СТАТИЧЕСКИЕ И АСТАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Одной из существенных характеристик САУ является зависимость между значением управляемого параметра и величиной внешнего воздействия (нагрузкой) на объект управления. По виду зависимости между значением управляемого параметра и нагрузкой системы делят на статические и астатические

щему воздействию, если при воздействии, стремящемся с течением времени к некоторому значению, ошибка также стремится к постоянному значению, зависящему от значения управляющего воздействия, т. е. статическая система не может обеспечить по-

!/,*>

Рис. 1.7. Статическое (а) и астатическое (б) управление

17

стоянии при появлении возмущающих или управляющих воздействий САУ приходит в движение. При переходе системы из одного установившегося режима работы в другой она может оказаться либо устойчивой, либо неустойчивой.

Чтобы это определить, необходимо исследовать динамику процесса управления, т. е. определить закон изменения управляемого параметра в функции времени при воздействии на САУ возмущающих факторов или управляющих воздействий. САУ считается устойчивой, если после установления новых значений возмущающих или управляющих воздействий эта система спустя некоторое время может монотонно приближаться к новому установившемуся значению yJ<Stz (Рис- 1-9, а), или, совершив несколько колебаний нового установившегося значения управляемого параметра z/yoTs» приходит к установившемуся режиму работы (рис. 1.9, б). А неустойчивая система, придя в движение, не возвращается к установившемуся состоянию равновесия. При этом в устойчивой системе после возникновения возмущающего или управляющего воздействия отклонение от состояния равновесия или все время увеличивается (рис. 1.9, в), или непрерывно изменяется в форме постоянных незатухающих колебаний (рис. 1.9, г). Частным случаем является САУ, которая совершает незатухающие колебания около нового установившегося значения управляемого параметра (рис. 1.9, д).

Таким образом, условие устойчивости САУ состоит в том, что абсолютное значение отклонения управляемого параметра от

Рис. 1.9,. Виды переходных процессов:

о, б — устойчивая СЛУ; в, г — неустойчивая САУ; д — консервативная САУ

19

чества процесса управления. Первой характеристикой качества процесса управления является степень поддержания управляемого параметра, когда на САУ не воздействуют внешние возмущающие факторы, второй — вид переходных процессов, возникающих при воздействии внешних возмущающих факторов.

1.6. СИСТЕМА «СТАНОК—ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ» КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

В общем виде систему управления механической обработки на станках с ЧПУ структурно можно представить состоящей из объекта управления и устройства управления, связанных между собой каналами прямой и обратной связи (рис. 1.11). Металлорежущий станок с ЧПУ совместно с процессом

Рис. 1,11. Структурная схема системы «станок—процесс резания»