Понятие об управлении. Система автоматического управления

Практически во всех областях техники нормальный ход технологических и производственных процессов может быть обеспечен только тогда, когда те или иные величины, определяющие эти процессы, удовлетворяют определенным требованиям.

Например: - в прокатных устройствах толщина прокатываемого металла должна находиться в определенных пределах.

- в различных нагревательных устройствах температура должна поддерживаться в определенных пределах;

- в авиации и мореплавании курс должен выдерживаться постоянным или изменяться по заданному закону

- в ракетной технике и космонавтике вывод ракеты на заданную орбиту должен осуществляться по определенной траектории и т.д.

Практически всегда объект, в котором протекают интересующие нас процессы, сам по себе не способен обеспечить их нужный ход. Даже, если объект способен выдерживать некоторый номинальный режим, то он не может справиться с отклонениями режима от заданного. Эти отклонения вызываются различными причинами, и такие причины всегда найдутся. Воздействия, вызывающие отклонение от номинального режима, назовем возмущающими.

Примеры: автомобиль, генератор напряжения, химический реактор и т.д.

Поэтому такие объекты снабжаются управляющим или регулирующим органом. Этот орган влияет на ход процесса., т.е. управляет им. Примеры: рулевое управление автомобиля, рулевое управление корабля, обмотка возбуждения генератора и т.д.

Организация процесса, обеспечивающая требуемые значения его характеристик, называется управлением.

Исходя из сказанного, можно представить следующую схему (см. рис.1):

Рис. 1.

Управление может быть ручным или автоматическим. При ручном управлении выработку регулирующего воздействия осуществляет человек, наблюдающий за ходом процесса, определяющий отклонение процесса от требуемого и вырабатывающий регулирующее воздействие в зависимости от этого отклонения так, чтобы процесс удовлетворял заданным требованиям.

Примеры: управление автомобилем, оператор аэродинамической трубы и т.д.

При автоматическом управлении выработку регулирующего воздействия осуществляет специальное управляющее устройство. В частном случае, когда задачей управления является поддержание постоянного уровня какой-либо величины, управляющее устройство называют автоматическим регулятором.

Рассмотрим несколько простых примеров, иллюстрирующих необходимость введения управляющих устройств.

Генератор напряжения.

Принципиальная схема генератора показана на рис.2

Рис. 2

При постоянных U_н, R_н имеем U_н=const .

Однако при изменении нагрузки напряжение U_н изменяется. Соответствующие зависимости имеют вид :

Пусть, например, R_н увеличилось. Тогда U_н при неизменных U_в , R_в также увеличивается (см.рис.3). Однако, если R_н вернется к прежнему значению , то и величина U_н вернется к прежнему значению.

Рис.3

Объекты, обладающие свойством возвращатся к прежнему состоянию после устранения причин, вызвавших изменения этого состояния, называются устойчивыми. В принципе, они могут работать и без регуляторов. Однако и в таких объектах применение управляющих устройств (регуляторов) может существенно улучшить их свойства.

Движение корабля.

Рис.4.

Величина φ определяет курс корабля (см. рис.4). Предположим что возникает возмущающий момент , изменяющий курс корабля, при этом руль (регулирующий орган) своего положения не изменяет. Из-за возмущающего момента курс начинает изменятся . После устранения возмущения курс перестает изменяться , но к прежнему значению он не возвращается , новое его значение зависит от времени действия возмущающегося момента (см. рис. 5)

Рис.5.

Такие объекты называют нейтральными . Нейтральный объект не может обеспечить требуемый режим работы без управляющего устройства (регулятора).

Некоторые объекты – ядерный реактор, самолет в режиме штопора – таковы что изменения их входных величин (мощности, скорости и т.п.) после устранения возмущений не остаются постоянными , но возрастают с течением времени . Эти объекты можно назвать неустойчивыми . Неустойчивые объекты принципиально не могут работать без управляющего устройства.

Таким образом, чтобы обеспечить нормальный рабочий режим необходимо в зависимости от отклонений рабочего режима от заданного воздействовать на регулирующий орган так, чтобы ликвидировать эти отклонения.

Объект, которым управляют, называется объектом управления (ОУ). Величины, характеризующие протекающие в ОУ процессы, т.е. величины , которые нужно поддерживать постоянными или изменять их по некоторому , называются управляемыми или регулируемыми величинами.

Совокупность объекта управления и управляющего устройства образует систему автоматического управления (САУ).

Объекты управления различны по своему назначению и по физическому содержанию (электрические, гидравлические и т.д.). Соответственно конкретные управляющие устройства будут различными для разных объектов управления. Однако формирование таких устройств, формирование процессов управления различными объектами основывается на общих законах и правилах. Изучением таких общих законов и правил и занимается теория автоматического управления. Иначе говоря ТАУ изучает принципы и методы построения систем автоматического управления относительно к их физическому содержанию.

Краткий очерк развития ТАУ.

Задача создания автоматических регуляторов возникла сразу после появления относительно сложных технических устройств. Таковыми оказались паровые машины. В 1765 году И.И. Ползунов изобрел регулятор,
поддерживающий постоянство уровня воды в котле паровой машины. Принципиальная схема регулирования показана на рис.6.

Рис.6.

Регулируемой величиной является уровень воды в топке H.

Причиной, вызывающей отклонения уровня от требуемого значения, является изменение величины отбора пара.

В 1784 Д. Уатт изобрел автоматический регулятор скорости вращения вала паровой машины (см.рис.7).

Рис.7.

При увеличении скорости ω величина x уменьшается, заслонка прикрывается, что ведет к уменьшению количества поступающего в машину пара и уменьшению начавшей возрастать скорости. Аналогичная картина будет наблюдаться при уменьшении угловой скорости ω.

Теория автоматического управления была заложена в 19 веке работами ученых ряда стран. Среди них можно выделить работы русского математика И.В. Вышнеградского “Об общей теории регуляторов “ и “О регуляторах не прямого действия “. Выдающую роль в развитии ТАУ сыграл А.М. Ляпунов, работы которого по устойчивости движения определили многие направления ее развития.

Активное развитие ТАУ начинается с 30-х годов 20в. Период до конца 50-х годов можно назвать классическим – в это время формируется окончательно та ее часть, которая рассматривается в нашем курсе.

Крупными учеными, внесшими большой вклад в развитие ТАУ явились А.А. Андронов, Я.З. Цыпкин, А.А. Фельдбаум, А.М. Лешов, Е.П.Попов, Б.Н. Петров и др. Крупнейшими центрами развития ТАУ явились Институт проблем управления, МВТУ им. Н.Э. Баумана, МАИ и др.

Период с начала 60-х годов можно назвать современным. Это время, когда создается теория сложных систем, одновременно управляющих несколькими величинами, теория дискретных систем, управляемых ЦВМ, адаптивных систем, систем с искусственным интеллектом, использующие сложные алгоритмы идентификации и оценивания и т.п.