1 ВВЕДЕНИЕ В СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ (Часть 1)

Обоснование необходимости использования автоматизированных систем управления базируются на требованиях к:

— увеличению производительности,
— повышению точности;
— уменьшению энергозатрат и т.п..

Теория управления на базе математических моделей позволяет изучать динамические процессы в автоматических системах, устанавливать структуру и параметры составных частей системы для придания реальному процессу управления желаемых свойств и заданного качества (для достижения конкретной цели).
Любой динамический процесс характеризуется совокупностью данных, величин, показателей. Совокупность операций для запуска, остановки процесса, поддержания постоянства показателей процесса или изменения их по заданному закону называется управлением.
Поддержание определенных показателей на заданном уровне или изменение их по заданному закону, называется регулированием, т.е. регулирование – это часть управления, причем если процессы управления осуществляются без участия человека, то они называются автоматическими.

Основные понятия ТАУ

Параметры технологического процесса — это физические величины, определяющие ход технологического процесса (напряжение, сила тока, давление, температура, частота вращения и т.д.).
Регулируемая величина (параметр) – это величина (параметр) технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным или изменять по заданному закону.
Объект управления (объект регулирования, ОУ) – устройство, требуемый режим работы которого должен поддерживаться извне специально организованными управляющими воздействиями.

Любой объект можно считать системой, на которую воздействует входной сигнал U(t) для выработки выходного сигнала х(t) (рис.1). При этом очень удобно изменение сигнала во времени представлять не в числовом виде, а в графическом (рис.2).

Объектами управления могут быть как привод манипулятора, двигатели, насос и т. д., так и отдельные их узлы, выполняющие те или иные операции процесса.
Таким образом, процесс регулирования объектом можно представить в виде структурной схемы, где на объект воздействует внешняя окружающая его среда. При этом некоторые воздействия можно измерит, некоторыми даже можно управлять, а некоторые не управляемы и не наблюдаемы. Субъект в свою очередь задает управляющее воздействие на объект (при этом это воздействие по отношению у объекту является входным) и наблюдает за реакцией объекта.

Рисунок 3

Внешние факторы, которые влияют на ОУ:

Е – ненаблюдаемые внешние и внутренние факторы
Х – наблюдаемые неуправляемые входы
U – наблюдаемые управляемые входы.

Если рассматривать более детально процесс автоматизированного управления, то в управление необходимо рассматривать как удовлетворение объектом целей субъекта. Цель субъекта – набор требований Z1, которые должны быть удовлетворены в Объекте управления. Эти требования могут быть выражены через состояния ОУ Z= H(Y).
Для реализации целей субъекта служит устройство управления, которое с помощью алгоритма G вырабатывает необходимый сигнал управления U. При этом УУ использует текущую информацию о целях субъекта, состоянии среды Хd и объекта управления Yd.

Рисунок 4

Теория автоматического управления – это наука, которая изучает процессы управления и проектирование автоматизированных систем по замкнутому циклу (с обратной связью).
Управление – формирование управляющих воздействий, обеспечивающих требуемый режим работы ОУ.
Техническое устройство, осуществляющее управление в соответствии с программой (алгоритмом), называется автоматическим управляющим устройством (исполнительным механизмом).
Совокупность объекта управления и управляющего устройства называется системой автоматического управления (САУ).
Мгновенное значение – это значение регулируемой величины в рассматриваемый момент времени.
Измеренное значение – это значение регулируемой величины, полученное в рассматриваемый момент времени с помощью некоторого измерительного прибора.
Ошибка управления (е = х – у) – разность между предписанным (х) и действительным (у) значениями регулируемой величины.
Регулятор (Р) – комплекс устройств, присоединяемых к регулируемому объекту и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения его регулируемой величины или автоматическое изменение ее по определенному закону.

Динамическим процессом, или движением, называют развитие во времени некоторого процесса или явления – движение механизма, тепловое явление, экономические процессы
Сигналы существуют вне зависимости от наличия измерителей или присутствия наблюдателя.
Процесс проектирования САУ разбивается на три стадии: подготовительный, расчетный и технический этапы.

Этапы разработки САУ
С чего же начать разработку системы управления? Как и любое проектирование процесс разработки САУ имеет несколько этапов. Условно их можно разделить на подготовительный, расчетный и технический.

 Возможно и иное, более укрупненное представление этапов проектирования САУ

Рисунок 5

Обычно теория автоматического управления изучает процессы управления и проектирование автоматизированных систем по замкнутому циклу (с обратной связью).
В зависимости от того, какая информация о среде и объекте используется в процессе управления, различают несколько принципов управления:

— принцип разомкнутого управления (программное, плановое);
— компенсирующее управление (по возмущению);
— управление с обратной связью (замкнутое управление).

Принцип разомкнутого управления.

Рисунок 6

Условия применения:

— наличие достаточно точной модели объекта управления;
— неизменность свойств объекта управления в процессе работы;
— незначительность или полное отсутствие помех.

Информация о состоянии среды и объекта не используется в процессе управления

Рисунок 7 – Иллюстрация принципа разомкнутого управления на примере отопления комнаты

(источник воздействия – календарный план, система управления – оператор, объект управления – температура в комнате, помехи – температура на улице, проветривание, дополнительные электрорадиаторы и т.п.)

Принцип управления по возмущению

Рисунок 8

Преобразователь вырабатывает сигнал, используемый для компенсации помехи на объект управления.
Условия применения:
— возможность измерения или априорного задания возмущения.
Информация о состоянии среды используется частично, информация о состоянии объекта не используется.

Рисунок 9

Принцип управления с обратной связью

Рисунок 10

Если значение выходной величины отклоняется от требуемого, то происходит корректировка сигнала управления с целью уменьшения данного отклонения.

Для выполнения данной операции выход ОУ соединяется с входом устройства управления главной обратной связью (ОС). Главная обратная связь в этом случае ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ.

Рассмотрим САУ с одной регулируемой величиной и отрицательной обратной связью. При использовании обратной связи возникает необходимость добавления в схему управления элемента сравнения:

Рисунок 12

Рисунок 13

Рисунок 14

l- устройство сравнения управляющего воздействия с управляемой переменной;

y(t) – управляющее воздействие;
x(t) – управляемая переменная
ε(t) – ошибка САР
n(t) — возмущающее воздействие