Задачи теории автоматического управления

Немного истории

Первыми промышленными регуляторами являются автоматический поплавковый регулятор питания котла паровой машины, построенной в 1765 г. И.И. Ползуновым в г. Барнауле и центробежный регулятор скорости паровой машины, на который в 1784 г. получил патент английский механик Дж. Уатт. Эти регуляторы открыли путь потоку изобретений принципов регулирования и регуляторов. Появляются регуляторы с воздействием по производной (братьев Сименсов), по нагрузке (инж. Ж. Понселе), сервомоторы с жесткой обратной связью (инж. Л. Франко), регуляторы с гибкой обратной связью (изодромные), импульсные регуляторы «на отсечку пара», электрические регуляторы и т. п. Основу теории автоматического управления заложили четыре фундаментальные работы: 1. Дж. Максвелл «О регуляторах» (механизмах наведения телескопа) (1866г). 2. И.А Вышнеградский. «Об общей теории регуляторов» (1876 г). 3. И.А Вышнеградский. «О регуляторах прямого действия» (1877 г). 4. А.М.Ляпунов. «Общая задача об устойчивости движения»(1892 г). Большой вклад в теорию автоматического управления внесли отечественные ученые: Петров Б.А., Попов Е.П., Красовский А.А., Поспелов Г.С., Шаталов А.С., Солодовников В.В., Кухтенко А.И., Фельтбаум А.А., Куневич В.М., Пугачев В.С., Болтянский В.Г. и многие другие.

Основные определения

Управление – это процесс воздействия на объект с целью обеспечения требуемого течения процессов в нём или требуемого изменения его состояния. Основой управления является получение и обработка информации о состоянии объекта, внешних условиях его работы, для определения его воздействий, которые необходимо приложить к объекту, чтобы обеспечить достижение цели управления.

Объект управления (ОУ) может принадлежать как к неживой природе – может быть техническим устройством (двигатель, самолет, станок и т.д.), так и к живой (животное, коллектив людей и т.д.). Управление может осуществляться человеком, в этом случае говорят о ручном управлении, если управление осуществляется техническим устройством, оно называется автоматическим. Физические величины, определяющие ход технологического процесса, называются параметрами технологического процесса. Например, параметрами технологического процесса могут быть температура, давление, расход, скорость, напряжение и т.д.

Автоматическое управление – автоматическое поддержание постоянства какой-либо физической величины (температуры, давления, уровня жидкости и т. д.), характеризующей технологический процесс, или её изменение по заданному закону, или изменение её в соответствии с измеряемым внешним процессом (следящее регулирование).

Алгоритм управления – последовательность операций, которые должны быть реализованы техническими средствами в соответствии с получаемой информацией и результатами промежуточных вычислений, чтобы обеспечить протекание технологического процесса в требуемом направлении.

Регулирование – частный вид управления, когда задачей является обеспечение изменения какого-либо параметра системы по определенно заданному закону. Автоматическое регулирование осуществляется приложением управляющего воздействия к регулирующему органу объекта управления. Для осуществления автоматического регулирования в систему вводится регулятор, вырабатывающий совместно с управляющим устройством (УУ) управляющее воздействие. Объект управления, автоматический регулятор и управляющее устройство вместе образуют систему автоматического регулирования (САР).

Замену труда человека в операциях управления называют автоматизацией, а технические устройства, выполняющие операции управления – автоматическими устройствами. Выполнение всех операций по управлению без непосредственного участия человека называется автоматическим управлением, а система реализующая его – системой автоматического управления (САУ).

Система, в которой автоматизирована только часть управленческих операций, а другая их часть (обычно наиболее ответственная) выполняется людьми, называется автоматизированной системой управления (АСУ).

 

Объект управления и воздействия

Возмущающие воздействия F

Управляющие воздействия

Выходные величины

Y

Объект

X

 

Рисунок 1.1

Объект управления – совокупность технических средств – машин, орудий труда, средств механизации, выполняющие данный процесс.

Внешняя среда реально оказывает на каждый объект управления многочисленные воздействия, и если бы объект обладал «конструктивной жесткостью» и «динамической прочностью» (выполнение функций с требуемой точностью, несмотря на инерционные свойства и неизбежные помехи), потребности в автоматическом регулировании не возникает.

Инерционность – способность сохранять собственное состояние.

Все воздействие на объект учесть практически невозможно, поэтому в поле зрения остаются лишь те, которые оказывают наибольшее влияние на выходные величины и называют их входными воздействиями. Входные воздействия с точки зрения их влияния на действия объекта, на его выходные величины разделяют на две принципиальные группы. Те, которые обеспечивают желаемое изменение поведения объекта, называют управляющими. При их отсутствии задача управления вообще не имеет решения. При ручном управлении воздействие на объект организует оператор, а при автоматическом – управляющее устройство. Те воздействия, которые мешают достижению цели, и изменить их, как правило, невозможно, называют возмущающими.

Задачи теории автоматического управления

Основными задачами ТАУ являются исследования статических и динамических свойств автоматических систем и разработка систем, удовлетворяющих заданным техническим требованиям.

В ТАУ исследуется две основные задачи:

– анализ систем автоматического управления

– синтез систем автоматического управления.

Первая из них, задача анализа, состоит в исследовании процесса работы определенной системы автоматического управления с заданной структурой и элементами при различных параметрах элементов и различных видах воздействий на систему. В задачу анализа входит исследование устойчивости систем, исследование динамических и статических отклонений, происходящих при процессах управления.

Вторая задача, синтез, является более сложной и состоит в построении системы автоматического управления; в нее входит выбор схемы управляющего устройства, его элементов и их параметров.

Теоретически любую САР можно рассматривать как систему преобразования задающих и возмущающих сигналов в сигнал выходных величин.

Пусть Х = (x₁, x₂…., x_n) – совокупность управляемых координат процесса (выходных величин), F = (f₁, f₂…., f_n) - возмущающие воздействия, Y = (y₁, y₂…., y_n) - управляющие воздействия.

Величины X, Y, F в зависимости от природы объекта связаны различными математическими зависимостями. В общем случае

X = Fun (F, Y),                                         (1)

где Fun– оператор, определяющий вид зависимости.

Задача анализа: Заданы F, Y и Fun и требуется найти X. Это обычно пассивная задача, здесь требуется осуществить лишь X без вмешательства в ход процесса.

Задача синтеза: Носит активный характер – заданы Y, F и желаемый вид X, требуется найти такой Fun, чтобы удовлетворить требование к X.

Синтез активного управления: Заданы Fun и желаемый вид X. Требуется найти такое Y, чтобы X удовлетворила поставленным требованиям.