Введение. Теория автоматического управления (ТАУ) изучает процессы управле­ния, методы исследования и основы проектирования систем автоматического управления (САУ)

Теория автоматического управления (ТАУ) изучает процессы управле­ния, методы исследования и основы проектирования систем автоматического управления (САУ). ТАУ изучает принципы построения САУ, закономерности протекающих в них процессов в целях построения работоспособных и точных САУ; методами ТАУ осуществляются анализ и синтез САУ.

ТАУ представляет собой единую научную базу для решения задач управления объектами различной природы (физической, химической, биологической и т. п.), имеющую развитые методы исследования САУ— их анализа и синтеза (расчета и проектирования).

Развитие ТАУ связано с историей создания различных высокоточных механизмов, из которых наиболее известными являются: хронометры, часы, секундомеры; поплавковые регуляторы водяных часов; маятниковый регулятор хода часов (X. Гюйгенс, 1675 г.); поплавковый регулятор питания котла паровой машины (И. И. Ползунов, 1765 г.); центральный регулятор скорости паровой машины (Дж. Уатт, 1784 г.); первое программное устройство управления ткацким станком от перфокарты (узор на ковре) (Ж. Жаккар, 1808 г.); регуляторы (братьев С. и Ж. Понселе, 1830 г.) и др.

Теория управления прошла достаточно большой путь своего развития. На этапе становления ТАУ были созданы методы анализа устойчивости, качества и точности регулирования непрерывных линейных систем. Затем получили развитие методы анализа дискретных и дискретно-непрерывных систем. В настоящее время активно развиваются методы анализа нелинейных систем автоматического управления.

Как наука, ТАУ впитала в себя многие методы инженерных направлений (из области электро-, радиотехники, энергетики, связи и др.) и придала им существенное развитие. Создав собственные методы анализа и синтеза, прикладная ТАУ сыграла выдающуюся роль на этапе становления многих современных инженерных дисциплин.

Прикладную или инженерную ТАУ сегодня именуют «классической», подчеркивая этим определенную завершенность форм ее развития как науки об управлении. Классическая ТАУ, преследуя цель «оптимизации в малом», решает задачи оптимизации и адаптации при малых отклонениях относительно заданного режима работы системы управления.

Основы «современной» ТАУ идеологически заложены в «класси­ческой» ТАУ и составляют с ней неразрывную связь. Современная ТАУ, преследуя цель «оптимизации в целом», применительно, в основном, к системно-сложным объектам управления (ОУ), превращается в совокупность методов и средств, осуществляющих интеллектуальное управление и составляющих основу теории интеллектуальных систем управления. Характерной обобщающей чертой последних является максимально эффективное использование всех ресурсов системы при многокритериальной оптимизации процессов в целом в условиях, как правило, частичной неопределенности информации о свойствах ОУ и среде его функционирования.

Важным понятием в ТАУ является понятие модели — определенной математической абстракции, характеризующей процессы любой природы - физической, биологической, экономической и др. Модель — это процесс, выраженный через связи между переменными входа, выхода и переменными состояния; переменные состояния аналогичны обобщенным координатам, а их пространство является фазовым. Обычно применяют векторно-матричное описание ОУ в пространстве состояний, что позволяет использовать единый математический аппарат для исследования различных непрерывных и дискретных систем.

Основные понятия, термины и определения

Изучение науки об управлении начнем с рассмотрения основных понятий, терминов и определений. Так как в ТАУ понятий и определений достаточно много [Ерофеев, Волик], остановимся на базовых из них.

Теория управления – наука, изучающая законы управления, принципы управления, принципы построения систем управления, а также методы анализа и синтеза систем управления

Автоматика – это отрасль науки и техники, охватывающая совокупность методов и технических средств, освобождающих человека от непосредственного выполнения операций по контролю и управлению производственными процессами и техническими устройствами

или другой вариант

это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и практику автоматического управления

Автоматизация ‑ замена умственной деятельности человека работой автоматических устройств.

Управление — процесс, обеспечивающий необходимое по целевому назначению протекание процессов преобразования энергии, вещества и информации, поддержание работоспособности и безаварийно­сти функционирования объекта путем сбора и обработки информа­ции о состоянии объекта и внешней среды, выработки решений о воз­действии на объект и их исполнение. Здесь цель является причиной уп­равления и задающие воздействия определяются на основе знания цели.

Регулирование — частный случай управления, цель которого за­ключается в обеспечении близости текущих значений одной или не­скольких координат объекта управления к их заданным значениям.

Объект управления (регулирования) — определенное техническое устройство, механизм, агрегат (самолет, станок, паровая турбина и т. д.) или процесс (энергетический, технологический и т.д.), для достижения результатов функционирования которого необходимы и допустимы специально организованные воздействия. Объект управления, на который подаются управляющие воздействия, можно назвать управляемым объектом. Объектами управления (ОУ) могут быть как отдельные объекты, выделенные по определенным признакам (например, конструктивным, функциональным), так и совокупности объектов — комплексы. В зависимости от свойств или назначения объектов могут быть выделены технические, технологические, экономические, орга­низационные, социальные и другие объекты управления и комплексы.

Цель управления в технических системах — определенные значе­ния или соотношения значений координат процессов в объекте управ­ления или их изменение во времени, при которых обеспечивается дос­тижение желаемых результатов функционирования объекта.

Система автоматического управления (САУ) — система, состоящая из объекта управления и устройства управления, в которой автомати­чески выполняется заданный процесс.

Задающее устройство предназначено для формирования цели управления путем выработки задающего воздействия.

Задающее воздействие g(t) — воздействие на устройство управления, предназначенное для достижения цели управления.

Устройство управления (УУ) или регулятор — совокупность уст­ройств, с помощью которых осуществляется управление главным тех­нологическим параметром (физической величиной). Служит для формирования закона управления, в соответствии с которым выдает управляющее воздействие, прикладываемое к объекту управления для перевода последнего в требуемое состояние.

Закон управления - это алгоритм или функциональная зависимость, в соответствии с которой регулятор формирует управляющее воздействие.

Управляющее воздействие — воздействие, формируемое регулятором, и прикладываемое к объекту управления для того, чтобы последний перешел в нужное состояние.

Внешние воздействия — задающие воздействия g, определяющие требуемый закон (алгоритм) регулирования выходной величины ОУ, и возмущающие воздействия/, нарушающие требуемую функциональ­ную связь между выходной величиной ОУ и задающим воздействием.

Выходной величиной (координатой) ОУ y(t) или регулируемой (управляемой) величиной является обычно главный технологический параметр (скорость, мощность, напряжение и т. д.).

Возмущение (возмущающее воздействие) — внешнее воздействие на любое звено (элемент, под­систему) САУ, затрудняющее, как правило, достижение цели управ­ления. Обычно выделяют основные возмущения, существенно влияю­щие на регулируемую величину, и помехи.

Помехи — возмущения, вызывающие искажение сигналов в САУ, обычно незначительно влияющие на регулируемую величину и труд­нодоступные для измерения.

 

Общая модель управления может быть представлена следующей схемой (рис. 1.1). На рисунке приняты следующие обозначения: РО – регулирующий орган – регулятор; Объединение РО и ОУ без участия человека – САУ; – вектор задающих воздействий; – вектор управляемых переменных (переменных состояния); – вектор управляющих воздействий; – вектор контролируемых возмущающих воздействий; – вектор неконтролируемых возмущений.

 

Рис. 1.1. Общая модель управления

 

Задачу управления можно сформулировать следующим образом. Это формирование такого изменения (вектора задающих воздействий), при котором достигается желаемое поведение ОУ независимо от влияния – вектора контролируемых возмущающих воздействий и – вектора неконтролируемых возмущений.

Математическая модель закона управления в общем виде может быть представлена как

.

В качестве примеров ОУ рассмотрим:

1. Двигатель постоянного тока (ДПТ) для которого – напряжение якоря (U_я), (момент и угловая скорость), - момент сопротивления (M_c), - процессы (состояние) щеточно-коллекторного узла.

2. Источник питания для которого – напряжение сети (U_сети), (напряжение и ток нагрузки), - сопротивление нагрузки (Z н), - состояние контактов, переходные сопротивления и др.

Задача управления включает в себя более узкую задачу регулирования

Задача регулирования: поддержание равным или пропорциональным в условиях влияния и .

 

Процессы, происходящие в САУ при управлении.

1. Переход САУ из одного равновесного состояния в другое в результате приложения конечного по величине воздействия.

2. Изменение по какому-либо закону величин, характеризующих состояние САУ, при переходе из одного состояния в другое за определенное время.

3. Переход САУ в новое равновесное состояние с какой либо точностью.

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 |

Поиск по сайту:

---