Лекция №1 Основные понятия и цели курса
Понятие о регулировании и управлении. Принципы управления: программное, по возмущению, по отклонению, комбинированное. Классификация САУ по назначению, по наличию усилителя, по закону регулирования, по величине статистической ошибки, по математическому описанию, по сигналам управления. Основные элементы САУ. Задачи теории автоматического управления.
Литература:
1. "Теория автоматического управления" М.Высш. шк. 1976 г. Под ред. А.В. Нетушила
2. "Теория автоматического управления" М.Высш. шк. 1977 г. Под ред. А.С. Шаталова
3. Егоров К.В. Основы теории автоматического регулирования, учебное пособие для вузов, изд. 2-е, перераб. и доп., - М.: "Энергия", 1967. - 648с., ил.
4. "Теория автоматического управления" Минск, Высш. шк.1979 Под ред. Анхимюк
5. Дрофф Р., Бишоп Р. Современная система управления. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000. – 831 с.
6. Теория автоматического управления. Под редакцией Соломенцева Ю.М.- М.: Высшая школа, 2000.- 267 с.
7. Анхимюк В. Л. Теория автоматического регулирования.– М.: ООО “Издательство АСТ”, 2000. – 504 с.
8. Теория автоматического управления. Учеб. для вузов по спец. "Автоматика и телемеханика". В 2-х ч./ Н.А. Бабаков, А.А. Воронов и др.: Под ред. А.А. Воронова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1986. - 367с., ил.
Введение
Теория автоматического управления (ТАУ) появилась во второй половине 19 века сначала как теория регулирования. Широкое применение паровых машин вызвало потребность в регуляторах, то есть в специальных устройствах, поддерживающих устойчивый режим работы паровой машины. Первым промышленным регулятором этого периода является поплавковый регулятор питания паровой машины, построенный И.И. Ползуновым в 1765 году. Затем центробежный регулятор скорости паровой машины разработанный английским механиком Дж. Уаттом в 1784 году. Это дало начало научным исследованиям в области управления техническими объектами. Основоположником теории автоматического регулирования по праву считается И.А. Вышнеградский, опубликовавший в 1876 году свой труд «об общей теории регуляторов» и в 1878 году работу «О регуляторах непрямого действия». В этих работах осуществлен системный подход к регулятору и паровой машине как к единой динамической системе. Это позволило дать общий методологический подход к исследованию самых разнообразных по принципу действия регуляторов. В этих работах были заложены основы теории устойчивости, разработаны основы современных методов исследования (анализ системы по распределению корней, выделение области устойчивости, определение монотонности регулирования и др.). Общая теория устойчивости динамических систем была разработана в докторской диссертации А.М. Ляпуновым (1892 год), где дано строгое понятие устойчивости движения и предложено два метода определения устойчивости. Задачу определения устойчивости систем любого порядка впервые решил Раус (1877) и затем независимо от него Гурвиц (1895). Частотный критерий устойчивой работы электронного усилителя разработал Найквист (1932). Этот критерий был обобщен и развит применительно к теории автоматического управления А.В. Михайловым (1938).
Оказалось, что результаты и выводы данной теории могут быть применимы к управлению объектами различной природы с различными принципами действия. В настоящее время сфера ее влияния расширилась на анализ динамики таких систем, как экономические, социальные и т.п. Поэтому прежнее название “Теория автоматического регулирования” заменено на более широкое - “Теория автоматического управления”.
Автоматическое регулирование – поддержание постоянной или изменение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс, осуществляемое при помощи измерения состояния объекта или действующих на него возмущений
Управление охватывает больший круг задач. 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.
Общие положения
Целенаправленные процессы, выполняемые человеком для удовлетворения различных потребностей, представляют собой организованную и упорядоченную совокупность действий – операций, которые делятся на два основных вида: рабочие операции и операции управления.
Рабочие операции выполняются за счет мускульной силы человека
Замена мускульной силы человека природной энергией в рабочих операциях называется механизацией.
Цель механизации состоит в высвобождении человека в тяжелых операциях, требующих больших затрат физической энергии (земляные работы, подъем грузов), во вредных операциях (химические, радиоактивные процессы), в рутинных операциях за счет использования технических устройств.
Для правильного и качественного выполнения рабочих операций необходимы сопровождающие их действия другого рода – операции управления, посредством которых обеспечиваются в нужные моменты начало, порядок следования и прекращение рабочих операций.
Совокупность управляющих операций образует процесс управления.
Операции управления также частично или полностью могут выполняться техническими устройствами.
Замена труда человека в операциях управления называется автоматизацией, а технические устройства, выполняющие операции управления – автоматическими устройствами.
Автоматическим регулятором называется регулирующее устройство, осуществляющее управление объектом регулирования согласно заданного алгоритма.
Алгоритм управления – это правило выработки управляющего воздействия для решения поставленной задачи.
Система автоматического управления (САУ) – этовзаимодействующий с объектом управления автоматический регулятор, в котором преобразование и передача информации, формирование управляющих команд и их реализация осуществляется автоматически согласно заданному алгоритму управления.
Для анализа САУ используются принципиальная и функциональная схема.
Принципиальная схема показывает физическую природу элементов автоматики, технические характеристики, принцип действия и взаимодействие между ними.
Элементом автоматики называется часть системы, в которой происходит качественное или количественное преобразование физической величины и передача ее к последующему элементу.
На принципиальной схеме все элементы и связи между ними изображаются в виде условного графического обозначения. Это позволяет изготовить автоматическую систему или произвести ее ремонт.
Функциональная схема состоит из функциональных элементов, которые показывают их функциональное назначение при автоматическом управлении технологическим процессом и связь между ними.
Функциональный элемент – это условно выделенная часть САУ, выполняющий определённую функцию по реализации заданного алгоритма управления.
На функциональной схеме все элементы (кроме сравнивающего устройства) изображается в виде прямоугольников с указанием их функционального назначения. Сравнивающее устройство изображается в виде окружности с крестиком внутри. Связь между элементами изображается сплошными линиями со стрелками, показывающими направление прохождения управляющих сигналов.
Структурная схема показывает математическую зависимость между входным и выходным сигналами каждого элемента и их взаимосвязь. Структурные элементы так же, как и функциональные элементы, изображаются в виде прямоугольников, а воздействие – в виде стрелок. В простых автоматических устройствах внешний вид функциональной и структурной схемы совпадает. В сложных системах САУ отдельные функциональные элементы для получения их математической зависимости разбиваются на отдельные звенья и для каждого находится математическая зависимость.
Структурная схема САУ отражают порядок прохождения информационного сигнала и его изменение в каждом звене. Она выполняется для получения математической модели всей системы и не учитывает конкретные особенности и принципы работы элементов. Различные по физической природе и по принципу работы элементы могут иметь одинаковый вид математической зависимости между входным и выходным сигналом. Эта схема с более высокой степенью абстракции, имеет более обобщённый характер и математически отражает динамические свойства звеньев. Связь между выходным и входным сигналом каждого звена обычно показывается через передаточную функцию W(p). С помощью структурных преобразований получают общую передаточную функцию (ПФ) всей системы, которая является достаточно полной математической моделью процесса регулирования. По этой ПФ можно провести анализ работы САУ, т.е. определить ее статические и динамические характеристики. По этой ПФ можно провести синтез работы САУ, т.е. определить такие ее параметры, которые наилучшим образом соответствуют поставленной задаче.
