| Лекции по ТАУ | Методические указания | Программные средства | Контрольные вопросы | Тестирование | Дополнительно |
1. Введение в ТАУ
1.1. Предыстория. 1.1. Предыстория. Историю возникновения данного предмета обычно связывают с моментом появления, так называемой, классической системы авторегулирования: машина-центробежный регулятор Уатта созданной им примерно в 1782 году, то есть примерно 200 лет назад, для регулирования работы паровых машин. Паровые машины использовали в то время для перекачки воды и подъема клетей в шахтах. Центробежный регулятор, изобретенный Джеймсом Уаттом, более чем столетие был основным промышленным регулятором. К 1868 году только в Англии работало 75 тысяч паровых машин с регуляторами Уатта. В процессе развития техники в системах авторегулирования с центробежным регулятором стали возникать непонятные явления. В зависимости от условий работы, регуляторы на многих машинах стали совершать странные колебания прежде чем установить заданную скорость вращения или вообще не устанавливали ее, совершая постоянные периодические колебания. Для того, чтобы объяснить эти явления необходимо было составить и исследовать математическую модель динамической системы "машина-центробежный регулятор". С решением этой задачи и возникла теория автоматического управления (регулирования). Датой ее возникновения можно считать работу Дж. Максвелла "О регуляторах", опубликованную гениальным физиком в трудах английского Королевского общества в 1868 году. В ней впервые было четко показано, что нельзя рассматривать свойства объекта регулирования (машины) и регулятора по отдельности, необходимо исследовать систему в целом. Для изучения динамики системы нелинейные дифференциальные уравнения были линеаризованы в точке равновесия (теоретическое обоснование метода линеаризации было дано А.М. Ляпуновым в 1892г.). Детальное исследование системы "машина-центробежный регулятор" на основе линеаризованных уравнений привел И.А. Вышнеградский в 1876г. Но полное исследование нелинейных уравнений и в то время и много позже было недоступно, и лишь с появлением компьютерной техники появилась возможность полного исследования нелинейной системы в 1979 г., при этом наряду с последними достижениями качественной теории дифференциальных уравнений использовался численный эксперимент. 1.2. Основные понятия и определения. Курс Теории Автоматического Управления (ТАУ) или Теории Управления (ТУ) ставит своей целью: ознакомление с принципами построения систем автоматического управления (САУ), с процессами и методами исследования процессов в этих системах. Принципы построения САУ связаны с общими законами управления, значение которых выходит далеко за пределы технических задач (биологические, экономические, общественные и др.) Управление - это целенаправленное воздействие на что-либо. Автоматическое управление - это управление, осуществляемое без участия человека, с помощью специальных технических средств. Разработкой общих принципов создания технических устройств и занимается Теория Автоматического Управления. САУ (Система Автоматического Управления) - это совокупность объекта управления (ОУ) и управляющего устройства (УУ), связанных между собой, так как показано на рисунке:
рис. 1.2.1Структура формирования САУ U - управляющее воздействие, подающееся на Объект Управления. Z или G - задающий сигнал (цель управления). V или F - вектор возмущающих воздействий. Y - выходной сигнал. Объект Управления (ОУ) - это совокупность материальных объектов специальных технических средств, носителей веществ или энергии, среди которых осуществляется некоторый технологический процесс, нуждающийся в управлении, т.е. в таком воздействии, которое обеспечивает протекание этого процесса в соответствии с требованиями технологий. Состояние ОУ характеризуется переменными, которые должны в общем случае изменяться во времени по закону, обусловленному технологией данного объекта. Внешние переменные - это такие механические, физико-химические или другие переменные, которые могут меняться независимо от состояния объекта и влиять на процессы, в нем протекающие. Внутренние переменные - это те механические, физико-химические или другие переменные, которые характеризуют технологию, протекающую в объекте, т.е. его состояние. Их называют переменными состояния и обозначают буквой x (вектор - X). Обычно все они, или часть являются управляемыми переменными для данного объекта. Иногда управляемые переменные не совпадают по физическому смыслу с переменными состояния (x) и являются производными от них, т.е. вычисляются через алгебраические и операторные зависимости. Внешние переменные, действующие на объект, (внешние воздействия) можно подразделить на:
Управляющее устройство - это устройство, в котором вырабатываются воздействия, называемые управляющими. U - величина, выражающая внешние влияния на Объект Управления со стороны Управляющего Устройства. На УУ действуют переменные, делящиеся на два класса: 1. Мешающие технологическому процессу (помехи),обозначаемые V или F 2. Полезные (задающие), определяющие цель управления, обозначаемые Z или G Частным случаем управляющих устройств являются регуляторы. В качестве примера рассмотрим простейший регулятор уровня жидкости в неком сосуде:
рис. 1.2.2. Простейшая система автоматического регулирования уровня жидкости 1 - поплавковый датчик; Общая функциональная структура САУ:
рис. 1.2.3. Блочно-функциональная схема САУ Из рис. 1.2.3 видно, что САУ состоит из следующих основных частей: НЧ САУ - неизменяемая часть САУ; УЧ САУ - управляющая часть САУ. непосредственно сам ОУ; КСВО - комплекс средств воздействия на ОУ; КИИС - комплекс информационно-измерительных средств предназначен для измерения управляемых переменных и преобразования их в форму, доступную для наблюдения человеком, а также для выработки сигналов, подаваемых на УУ. КСЛУ - комплекс средств локального управления; КСУУ - комплекс средств усиления управляющих сигналов; УВК - управляющий вычислительный комплекс. Под неизменяемой частью САУ понимают, обычно, совокупность собственно технологического объекта и комплекса технических средств (в принятых на схеме обозначениях - КИИС и КСВО), обеспечивающих оценку его состояния и воздействия на протекающие в нем процессы. Часто, употребляя термин объект управления, имеют в виду всю неизменяемую часть системы. В дальнейшем будем придерживаться именно этой терминологии. Управляющая часть САУ, представленная на рис. I.2.3 как комплекс технических средств с разделенными функциями, обычно рассматривается как одно УУ (регулятор). Изложенные в последних двух пунктах понятия и определения, позволяют нам ответить на один из важнейших вопросов: для чего же нужна САУ? Назначение САУ состоит в обеспечении с возможно большей точностью определенной, заранее предписанной взаимосвязи управляемых величин Y с задающими воздействиями Z, более полном подавлении влияния возмущающих воздействий и помех V, если они есть. Процесс управления осуществляется в системе посредством управляющих воздействий U, которые автоматически, т.е. без участия человека, вырабатываются в УУ и подаются на ОУ. 1.3. Фундаментальные принципы управления. Разомкнутое управление (управление по внешнему воздействию) может реализовываться в двух видах: управление по заданию и управление по возмущению (по возмущающему воздействию). Достоинства: 1) прямой характер управления (быстродействие), вывод управляемой переменной в окрестность заданногозначения без операции управления; Недостатки- низкая точность, связанная с: 1.3.2. Замкнутое управление. Достоинства: Недостатки: Синтезом двух принципов является комбинированный принцип, когда используется информация как о внешних воздействиях, так и информация о соответствии состояния обьекта цели управления. Все САУ в том или ином виде содержат только эти два типа управления. Говоря о замкнутом управлении, нельзя не сказать о принципе обратной связи. Схема реализующая эту разновидность управления показана на рис. I.3.1 для одномерной САУ.
рис. 1.3.1. Иллюстрация принципа ОС. На рис. I.3.1 приняты следующие обозначения: В сумматоре осуществляется сравнение величин y и z и взаимное их вычитание ε=y-z - величина рассогласования, называемая отклонением или ошибкой управления. Причем формируемое на выходе регулятора управление может быть функцией не только от ε, но также его производных и интегралов по времени. 1.4. Классификация САУ. Классификацию САУ можно производить по различным принципам и признакам, но наиболее общую классификацию можно представить в виде схемы изображенной на рис. I.4.1.:
рис 1.4.1. Краткая классификация систем управления. |
