Сущность проблемы автоматического управления

Целенаправленные процессы, выполняемые человеком для удовлетворения различных потребностей, представляют собой организованную и упорядоченную совокупность действий - операций, которые делят на два класса: рабочие операции и операции управления. К рабочим операциям относят действия, непосредственно необходимые для выполнения процесса в соответствии с теми природными законами, которыми определяется ход процесса, например снятие стружки при обработке детали на станке, вращение вала двигателя и т.п. Замену труда человека в рабочих операциях называют механизацией, цель которой - освобождение человека от тяжелых операций, требующих больших затрат физической энергии (земляные работы, подъем грузов); во вредных операциях (химические, радиоактивные процессы); в однообразных, утомительных для нервной системы операциях (завинчивание однотипных винтов при сборке, заполнение большого количества типовых документов, выполнение большого объема стандартных вычислений и т.п.).

Для правильного и качественного выполнения рабочих операций их необходимо направлять действиями другого рода - операциями управления, которые обеспечивают в нужные моменты начало, порядок следования и прекращение отдельных операций, выделяют необходимые для их выполнения ресурсы, задают нужные параметры самому процессу - направление, скорость, ускорение рабочему инструменту; температуру, концентрацию в химическом процессе и т. д. Совокупность управляющих операций образует процесс управления.

Операции управления также частично или полностью могут выполнять технические устройства. Замену труда человека в операциях управления называют автоматизацией, а технические устройства, выполняющие операции управления,- автоматическими устройствами. Совокупность технических средств-машин, орудий труда, средств механизации, выполняющих данный процесс,- с точки зрения управления, является объектом управления. Совокупность средств управления и объекта образует систему управления. Систему, в которой все рабочие и управляющие операции выполняют автоматические устройства, называют автоматической системой. Систему, в которой автоматизирована только часть операций, другая же их часть (обычно наиболее ответственная) сохраняется за людьми, называют автоматизированной (частично автоматической) системой.
При автоматизации возникает необходимость в различных видах операций управления. К одному из видов относят операции начала (включения), прекращения (отключения) данной операции и перехода от одной операции к другой (переключения). Различные аспекты этих видов операций рассматриваются в теории переключающих устройств и отчасти в теории расписаний, составляющих предмет других курсов.

Другая группа операций связана с контролем за координатами (параметрами процесса) с целью установления, - не вышли ли они за допустимые границы. Эта группа операций состоит в измерении значений координат и выдачи результатов измерения в удобной для человека - оператора форме. Операции этой группы рассматриваются в теории автоматического контроля.

Для правильного и качественного ведения процесса некоторые из его координат - управляемые координаты - должны поддерживаться в определенных границах или изменяться по определенному закону. Третью группу операций управления - операции по поддержанию заданного закона изменения координат - изучают в теории автоматического управления, которая и будет изучаться в этом курсе.

Пусть x={x₁,x₂,...,x_n} - совокупность управляемых координат процесса. На схеме, изображенной на рис. 1.1, а, б, объект представлен прямоугольником, а управляемые координаты, или, как их часто называют, выходные величины объекта - одиночными стрелками, если они изображают скалярные величины, или двойными при изображении вектора x. На схеме показаны также возмущающие воздействия z={z₁,z₂,...,z_i} и управляющие воздействия u={u₁,u₂,...,u_m} , прикладываемые к управляющему органу объекта УО, с помощью которого можно изменять координаты х. Величины х, u и z в зависимости от природы объекта связаны различными математическими зависимостями.

В общем случае

где, А-оператор, определяющий вид зависимости.

В простейшем случае, когда это обычная функциональная зависимость

объект называют статическим или безынерционным, а зависимость (1.2) или ее графическое изображение - статической характеристикой объекта (рис. 1.1,6).

Если объект обладает инерцией, то изменения координат под воздействием возмущений z или управлений и происходят не мгновенно, и в этом случае объект называют динамическим. Величины х, u и z в динамических объектах связаны дифференциальными, интегральными или разностными уравнениями.

Изменения координат в нормальном, требуемом ходе процесса определяют совокупностью правил, предписаний или математических зависимостей, называемой алгоритмом функционирования системы. Алгоритм функционирования составляется на основании технологических, экономических и других требований без учета динамических искажений. В теории автоматического регулирования алгоритмы функционирования считают заданными.

Алгоритм управления будет зависеть как от алгоритма функционирования, так и от динамических свойств системы.