Основные принципы и понятия автоматического управления

В основу теории автоматического управления положена теория автоматического регулирования, которая сформировалась в самостоятельную научную дисциплину только к 1940 году. Регулирование представляет собой простейшую разновидность управления.

Автоматическим регулированием называется поддержание, постоянной некоторой заданной величины, характеризующей процесс, или изменение ее по заданному закону, 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.

Сравнивая определения управления и регулирования, можно заключить, что все задачи регулирования входят в состав задач управления как более простые случаи.

Кроме того, задачи автоматического управления охватывают такие вопросы, как адаптация, или самонастройка системы управления, в соответствии с изменением ее параметров или внешних воздействий, вопросы обеспечения оптимального функционирования системы управления при различных условиях, автоматический выбор наилучших режимов из нескольких возможных и др., не входящих в круг задач автоматического регулирования.

Теория автоматического управления включает в себя теорию автоматического регулирования как основную и наиболее разработанную часть, однако, она ставит перед собой и более сложные задачи управления.

Система автоматического управления может быть представ­лена двумя основными частями: управляемым объектом (или сокращенно — объектом) и управляющим устройством.

В качестве объекта управления может рассматриваться как управляемое техническое устройство, так и более простая си­стема управления. Во втором случае речь идет о некоторой иерархической системе управления, в которой система управле­ния более сложная включает в себя управляемую ею более про­стую систему или подсистему. Обычно элементарными система­ми являются системы регулирования.

Первоначально рассмотрим объекты управления в более простых системах.

Состояние объекта определяется рядом величин, характеризующих как воздействие на объект внешней среды и управляю­щих устройств, так и протекание процессов внутри самого объекта.

Одни из этих величин непрерывно измеряются в процессе работы и называются контролируемыми. Другие, оказывая влияние на режим работы объекта, не измеряются и называются неконтролируемыми.

Величины, выражающие внешние влияния на объект, носят название воздействий.

Воздействия, вырабатываемые управляющим устройством, называются управляющими величинами, или управляющими воздействиями.

Воздействия, не зависящие от управляющего устройства, на­зываются возмущениями. Возмущения можно подразделить на два вида: а) нагрузка; б) помехи. Наличие изменяющейся во вре­мени нагрузки обусловлено работой объекта, от нее объект принципиально не может быть защищен. Помехи бывают свя­заны с побочными нежелательными явлениями и всякое умень­шение их улучшает работу объекта.

Контролируемые величины, по которым ведется управление, носят название управляемых, или регулируемых, величин. Обыч­но регулируемые величины в той или иной степени характеризуют качественные показатели процесса в управляемом объекте.

В общем случае объект управления ОУ может быть пред­ставлен схемами, показанными на рисунке 1.1.1, а и б. Здесь совокуп­ность контролируемых внешних воздействий обозначена векто­ром , неконтролируемых внешних воздействий — вектором , управляющих воздействий — вектором , управляемых величин — вектором . Если известно математическое описание объекта, то известна и система уравнений, связывающая управляемые вели­чины со всеми внешними воздействиями на объект.

Рисунок 1.1.1 – Схема объекта управления

При известных начальных условиях эта система уравнений дает возможность по внешним воздействиям X, Z, F найти вы­ходные управляемые величины Y.

Если объект характеризуется одной управляющей и одной управляемой величиной, т.е. векторы X и Y имеют по одной координате, то объект называется простым, или односвязным. При наличии нескольких взаимно связанных координат векто­ров X и Y объект называется многосвязным.

Каждый объект управления может рассматриваться в усло­виях статики и динамики. В первом случае и внешние неуправ­ляемые воздействия Z и F, и управляющие воздействия X рас­сматриваются постоянными, не зависящими от времени. Харак­теристиками объекта являются зависимости управляемых величин от внешних воздействий

(1.1.1)

При изучении динамики исследуется зависимость при заданных изменениях внешних воздействий , и . В этом случае уравнение (1.1.1) принимает вид системы диффе­ренциальных уравнений.

Если эта система может быть сведена к системе линейных дифференциальных уравнений, то объект называется линейным. При описании объекта системой нелинейных дифференциальных уравнений его относят к нелинейным.

При изучении статики основной интерес представляет зависимость управляемой величины Y от управляющего воз­действия X. Эта характеристика носит название статической характеристики управления. Характеристики управления могут быть монотонными, когда нигде не ме­няет знака (рисунок 1.1.2, а и б), и экстремальными, когда при не­которых, обычно оптимальных, значениях управляющей вели­чины производная и меняет знак (рисунок 1.1.2, в).

Рисунок 1.1.2 – Статические характеристики объекта управления

Объект управления может быть устойчивым, неустойчивым и нейтральным.

Объект устойчив, если после окончания внешнего воздейст­вия он с течением времени возвратится к исходному состоянию или близкому к нему.

Нелинейные объекты могут быть устойчивы в "малом" — при малых воздействиях и неустойчивы в "большом" — при боль­ших воздействиях.

Статические характеристики имеют смысл только для устой­чивых объектов управления. Если в устойчивом объекте воздействие, например , в течение некоторого времени t изменится на (рисунок 1.1.3), то после окончания этого воздействия управ­ляемая величина по истечении некоторого времени приходит в исходное состояние или близкое к нему.

Для таких объектов может быть предложена механическая аналогия в виде шарика в лунке, который может быть смещен при внешнем воздействии, однако возвращается обратно по окончании воздействия (рисунок 1.1.3, а). Устойчивые объекты иногда называются объектами с самовыравниванием.

Рисунок 1.1.3 – Устойчивый (а), неустойчивый (б) и нейтральный (в)
объекты управления

В неустойчивом объекте по окончании воздействия, как бы мало оно ни было, управляемая величина продолжает изменять­ся. Для этих объектов механическая аналогия имеет вид шарика на вершине холма (рисунок 1.1.3, б). По оконча­нии импульса шарик продолжает удаляться от положения рав­новесия.

Нейтральными объектами являются такие, в которых по окончании воздействия устанавливается новое состояние равно­весия, отличное от первоначального и зависящее от произведен­ного воздействия. Шарик на горизонтальной плоскости является механической аналогией этого типа объектов (рисунок 1.1.3, в). Нейтральные объекты иногда называются объектами без само­выра­вни­вания.

Один и тот же объект при нелинейной его характеристике в зависимости от режима работы может находиться в устойчи­вом, неустойчивом и нейтральном состояниях.

Установившиеся и переходные процессы в объектах могут изучаться при регулярных и случайных внешних воздействиях.

Всякое правильное протекание технического процесса характери­зуется выполнением некоторых условий, приводящих к выполнению поставленной цели, т.е. целевой функции управления. Для характери­стики этих условий введено понятие алгоритма функционирования.

Алгоритм функционирования ― совокупность предписаний, ведущих к правильному выполнению технологического процесса.

Если рассматриваемая техническая система сама по себе при нали­чии возмущающих воздействий, поступающих от внешней Среды, мо­жет выполнять предписанный алгоритм функционирования, то ника­кого управления системой не нужно. Если же техническая система сама не может выполнять предписанный алгоритм функционирования, то необходимо оказывать на нее специально организованные воздействия извне, которые в совокупности с собственными действиями техничес­кой системы приводили бы к выполнению этого алгоритма. Совокуп­ность предписаний, определяющих характер этих воздействий извне, называется алгоритмом управления.

Этот признак — осуществление организованных воздействий из­вне — достаточно широко определяет понятие управление и является общим потому, что он может быть отнесен как к техническим, так и к другим объектам. Поэтому его положили в основу указанных выше общих понятий автоматического управления.

Управление не может полностью в любой момент времени нейтра­лизовать влияние возмущающих воздействий внешней среды. Поэтому возможно лишь приближенное осуществление алгоритма функциони­рования. Далее это будет рассмотрено подробнее, здесь же отметим, что иногда алгоритм управления должен учитывать как специально орга­низованные, так и возмущающие воздействия.

Управление может быть ручным и автоматическим. В первом слу­чае организованные воздействия извне осуществляются человеком. Во втором случае ― автоматическим управляющим устройством, в частно­сти, — ЭВМ.

Рассмотренные общие понятия автоматического управления имеет следующие определения.

Управляемый объект ― совокупность технических средств (машин, агрегатов, аппаратов, устройств, ЭВМ, промышленных микроконтроллеров различной конструкции и с математическим обеспечением), осуществ­ляющих технический или технологический процессы, которая нужда­ется в оказании специально организованных воздействий извне для достижения предписанного алгоритма функционирования и цели управления.

Цель управления ― обеспечение соотношения значений координат процессов в объекте управления или их изменения во времени, при которых достигаются желаемые результаты функционирования объекта.

Одноцелевой объект управления ― объект управления, предназначенный для достижения одного заданного результата функционирования.

Многоцелевой объект управления ― объект управления, предназначенный для достижения нескольких заданных результатов функционирования.

Сосредоточенный объект управления ― объект управления, расстояния между элементами (подсистемами) или другими частями которого не существенны для организации системы управления.

Рассредоточенный объект управления ― объект управления, расстояния между элементами (подсистемами) или другими частями которого существенны для организации системы управления.

Объект управления с сосредоточенными параметрами ― объект управления, математическая модель функционирования которого не содержит дифференциальных уравнений в частных производных.

Объект управления с распределенными параметрами ― объект управления, математическая модель функционирования которого содержит хотя бы одно дифференциальное уравнение в частных производных.

Аналоговый объект управления ― объект управления, в математической модели функционирования которого все координаты могут принимать любые значения в некоторых диапазонах непрерывной шкалы.

Дискретный объект управления ― объект управления, в математической модели функционирования которого все координаты могут принимать только конечное число значений.

Комбинационный дискретный объект управления ― дискретный объект управления, в математической модели которого значения выходных координат в каждый момент времени зависят только от значений входных координат в тот же момент времени.

Последовательностный дискретный объект управления ― дискретный объект управления, математической модели которого значения выходных координат хотя бы в один момент времени зависят от значений входных координат как в тот же момент времени, так и в предшествующие моменты времени.

Аналогово-дискретный объект управления ― объект управления, математическая модель функционирования которого содержит как координаты, принимающие любые значения в некоторых диапазонах непрерывной шкалы, так и координаты, принимающие конечное число значений.

Детерминированный объект управления ― объект управления, в математической модели функционирования которого управляемые координаты однозначно зависят от других координат.

Стохастический объект управления ― объект управления, в математической модели функционирования которого зависимость хотя бы одной управляемой координаты от других координат является вероятностной.

Стационарный стохастический объект управления ― объект управления, в математической модели функционирования которого вероятностные характеристики не зависят от времени.

Нестационарный стохастический объект ― объект управления, в математической модели функционирования которого некоторые вероятностные характеристики зависят от времени.

Инерционный объект управления ― объект управления, изменения управляемых координат которого отстают по времени от вызвавших их изменений управляющих координат.

Безинерционный объект управления ― объект управления, изменения управляемых координат которого практически не отстают от вызвавших их изменений управляющих координат.

Объект управления с чистым запаздыванием ― инерционный объект управления, изменения управляемых координат которого повторяют вызвавшие их изменения управляющих координат со сдвигом по времени.

Односвязный объект управления ― объект управления, в математической модели функционирования которого каждая управляемая координата зависит только от одной соответствующей ей управляющей координаты.

Многосвязный объект управления ― объект управления, в математической модели функционирования которого хотя бы одна управляемая координата зависит от нескольких управляющих координат или несколько управляемых координат зависят от одной и той же управляющей координаты.

Одномерный объект управления ― объект управления, в математической модели функционирования которого содержит одну управляющую координату и одну управляемую координату.

Многомерный объект управления ― объект управления, в математической модели функционирования которого содержит несколько управляющих и (или) управляемых координат

Алгоритм управления ― совокупность предписаний, определяющая характер специально организованных воздействий извне на управляе­мый объект в реальном времени.

Всякий алгоритм должен обладать: определённостью, массовостью и результативностью.

Определённость означает достаточную формализованность, строгость и общепонятность. Массовость гарантирует возможность применения алгоритма для решения нескольких задач одного класса. Результативность обеспечивает получение искомого результата после выполнения конечного числа элементарных операций (дифференцирования, умно­жения, интегрирования и т.д.).

Структура системы управления ― совокупность и характер связей и отношений между элементами (подсистемами) системы управления.

Обратная связь ― зависимость текущих воздействий на объект от его состояния, обусловленного предшествующими воздействиями на этот же объект. Обратная связь может быть естественной (присущей объекту) или искусственно организуемой. Различают отрицательную обратную связь и положительную обратную связь как обратную связь, действующую в первом случае в сторону уменьшения, а во втором ― в сторону увеличения отклонений текущих значений координат объекта от их предшествующих значений.

Закон управления ― математическая форма преобразований задающих воздействий, возмущений, воздействий обратных связей, определяющих управляющее воздействия.

Управление ― процесс осуществления воздействий, соответствующих алгоритму управления. Автоматическим управлением называется, если управление осуществляется без непосредственного участия человека.

Процесс выработки управляющих воздействий включает сбор, передачу и обработку необходимой информации, принятие решений, обязательно включающее определение управляющих воздействий во взаимосвязи с целевой функцией или поставленной целью управления.

Оптимальное управление ― управление, цель которого заключается в обеспечении оптимального значения принятого показателя качества управления или целевой функции.

Экстремальное управление ― управление, цель которого заключает­ся в достижении и удержании экстремума заданного показателя каче­ства функционирования объекта управления (объем выхода готовой продукции, минимум расхода топлива и т.д.)

Терминальное управление ― управление, цель которого заключается в переводе объекта управления в заданное конечное состояние в задан­ный момент времени.

Финитное управление ― управление, цель которого заключается в переводе объекта управления из заданного начального состояния в за­данное конечное состояние за ограниченное время.

Автоматическое управляющее устройство ― устройство, осуществляющее воздействие, соответствующее алгоритму управления.

Координация ― управление, цель которого заключается в согласовании процессов в разных элементах (подсистемах) объекта управления.

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

Стабилизация ― регулирование, цель которого заключается в обеспечении постоянства значений управляемых координат на заданном интервале времени.

Следящее регулирование ― регулирование, цель которого заключается в обеспечении соответствия значений управляемых координат значениям воздействий (сигналов) уставки, меняющимся заранее не известным образом.

Программное регулирование ― регулирование, цель которого заключается в обеспечении соответствия значений управляемых координат значениям воздействий (сигналов) уставки, меняющимся заранее известным образом.

Противоаварийное управление ― управление, цель которого заключается в предотвращении развития аварийных событий, возникающих в системе управления.

Восстанавливающее управление ― управление, цель которого заключается в возвращении в состояние исправности, работоспособности или правильности функционирования системы управления, утраченное вследствие дефектов её элементов и (или) структуры.

Автоматическая система ― совокупность управляемого объекта и автоматического управляющего устройства, взаимодействующих меж­ду собой.

Приведенные определения обладают достаточно общим характером. Под управляемым объектом можно понимать любую силовую машину, технологический агрегат, устройства техники связи, отдельные блоки ЭВМ, а также их части или любую совокупность этих машин, аппара­тов и устройств.

Следует отметить, что в современных сложных автоматических системах бывает трудно провести точную границу между её частями ― управляемыми объектами и управляющими устройствами. В некото­рых случаях в качестве управляемых объектов должны рассматривать­ся отдельные машины или аппараты или даже их части, в других слу­чаях ― совокупности машин или аппаратов, а в-третьих, ― машины или аппараты в совокупности с некоторыми из управляющих устройств, в частности — ЭВМ.

Понятие качества функционирования автоматической системы ― это комплекс требований, определяющих поведение системы в установившемся и переходном процессах отработки заданного воздействия. В качестве комплекса таких требований к системе можно отнести её быстродействие, точность (динамическая, статическая, интегральная и др. виды ошибок), перерегулирование и т.д.

Приведенные выше определения общих терминов позволяют перейти к определению общего понятия автоматики как отрасли технической науки.

Автоматика ― отрасль технической науки, охватывающая теорию автоматического управления, а также принципы построения автомати­ческих систем и необходимых для них технических средств.

В автоматике имеются разделы, охватывающие отдельные обла­сти применения, такие, например, как: автоматический контроль, автоматическая защита, автоматический привод, автомати­ческие вычислительные устройства и т.д.

Замкнутая система управления ― система управления, в которой осуществлено управление с обратной связью.

Разомкнутая система управления ― система управления, в которой управление осуществлено без обратной связи.

Система ручного управления ― система управления, вырабатывающая и (или) осуществляющая управляющие воздействия при участии человека-оператора.

Дата добавления: 2014-01-11