1.1. Основные понятия и определения

1.1.1. 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.

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 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 автоматизированной) системой.

Круг объектов и операций управления охватывает технические процессы и агрегаты, группы агрегатов, цеха, предприятия, людские коллективы и организации и т. д.

Всякий технический процесс характеризуется совокупностью физических величин, называемых показателями, координатами, а иногда параметрами процесса. Для осуществления управления и построения управляемых систем нужны знания двоякого вида: во-первых, конкретные знания данного процесса, его технологии и, во-вторых - знания принципов и методов управления, общих для самых разнообразных объектов и процессов.

При автоматизации возникает необходимость в различных видах операций управления. К одному из видов относят операции начала (включения), прекращения (отключения) данной и перехода от одной операции к другой (переключения). Различные аспекты этих видов операций рассматриваются в теории переключающих устройств и отчасти в теории расписаний. Другая группа операций связана с контролем за координатами с целью установления, не вышли ли они за допустимые границы. Эта группа операций состоит в измерении значений координат и выдаче результатов измерений в удобной форме. Операции этой группы рассматриваются в теории автоматического контроля. Для правильного и качественного ведения процесса некоторые из его координат - управляемые координаты - должны поддерживаться в определённых границах или изменяться по определённому закону. Третью группу операций управления - операции по поддержанию заданного закона изменения координат - изучают в теории автоматического управления.

Необходимость в управлении значениями координат возникает в том случае, когда нормальный ход процесса нарушается из-за различного рода возмущений - колебаний нагрузки, воздействий внешней среды или внутренних помех.

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 выходные величины объекта, - одиночными стрелками, если они изображают скалярные величины x₁, x₂, ... , или двойными при изображении вектора x. На схеме показаны также возмущающие воздействия z  = {z₁, z₂, ... z_e} и управляющие воздействия u  = {u₁, u₂, ... u_m}, прикладываемые к управляющему органу объекта УО, с помощью которого можно изменять координаты X.

а б в

Рисунок 1.1

Величины x, u и z в зависимости от природы объекта связаны различными математическими зависимостями. В общем случае

x = A(z,u), (1.1)

где A - оператор определяющий вид зависимости.

В простейшем случае, когда это обычная функциональная зависимость

x = F(z,u), (1.2)

объект называют статическим или безынерционным, а зависимость (1.2) -статической характеристикой объекта (рис. 1.1, в).

Если объект обладает инерцией, то изменения координат под воздействием возмущений z или управлений u происходят не мгновенно, и в этом случае объект называют динамическим. Величины x, 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.