Місце так серед інших наукових дисциплін
Розвиток теорії автоматичного керування почався з 30-х років ХХ ст., коли були відкриті закони регулювання та вирішені задачі стійкості систем регулювання. Перші регулятори з’явилися в кінці ХІІХ ст. на початку технічного прогресу людства (1784 року). Призначені вони були для керування роботою парових машин. Робота технічних пристроїв, таких як парові машини, паровози та інші, без регуляторів неможлива. Тільки створення автоматичних регуляторів дало поштовх технічному прогресові.
Майже вся сучасна техніка працює автоматично або має автоматичні режими роботи. Це електростанції, турбіни, телевізори, холодильники та ряд інших систем, чи машин. Засоби автоматики прийнято поділяти на:
Засоби автоматики й телемеханіки.
Системи автоматичного керування (САК).
Автоматизовані системи керування (АСУ).
Засоби автоматики та телемеханіки - це, як правило, найбільш прості пристрої: автоматичні вимикачі, реле, реле-регулятори та ін. Принципи їх роботи вивчає наукова дисципліна «Автоматика та телемеханіка».
Системи автоматичного керування - це сукупність пристроїв автоматики та об’єктів керування. Динаміку роботи цих систем вивчає теорія автоматичного керування.
Автоматизовані системи керування – це людино-машинні системи, призначені для керування великими комплексами, підприємствами. Це системи, що включають сучасну обчислювальну техніку, яку обслуговують і роботою яких керують люди.
Основні поняття так
Алгоритм – упорядкована сукупність правил, точне виконання яких приводить до потрібного кінцевого результату.
Алгоритм, це одне із основних понять математики і кібернетики. Поняття алгоритм було введене узбецьким вченим 9-го століття Аль-Хорезмі і визначало порядок розвязання певного класу математичних задач. В сучасному понятті під алгоритмом розуміємо записаний певною мовою, або визначений певним чином, порядок виконання дій, що веде до вирішення поставленого завдання. В кібернетиці та теорії керування алгоритм, як правило, визначає порядок роботи з інформацією.
Алгоритм функціонування – сукупність правил чи вимог, які визначають потрібне здійснення робочого процесу певним об’єктом (пристроєм, технічною, природною чи організаційною системою)
.
Алгоритм керування – сукупність правил, які визначають характер дій на об’єкт керування (ОК) з метою підтримання його алгоритму функціонування.
Керування – процес дії на об’єкт у відповідності з алгоритмом керування.
Система автоматичного керування – це сукупність об’єкта керування та пристрою автоматичного керування (ПАК), які взаємодіють між собою з метою забезпечення заданого алгоритму функціонування.
Іншими словами систему автоматичного керування можна визначити, як систему, що складається з об’єкта керування та пристрою керування, в якій керування чи регулювання режимом роботи об’єкта, відповідно до алгоритму керування, здійснюється автоматично без участі людини.
Рис. 1.1 – Функціональна схема системи автоматичного керування
Схематично система автоматичного керування зображена на рис.1.1. САК складається з об’єкта керування (ОК), керування режимом роботи якого здійснюється за допомогою пристрою автоматичного керування (ПАК) (подекуди вживають поняття регулятор (Р)). Стрілками на схемі показано величини, які забезпечують роботу системи, а саме:
Об’єкт керування (ОК)– це певний пристрій, технічна, природна чи організаційна система алгоритм функціонування якого у даній САК підтримується з потрібною точністю.
Пристрій автоматичного керування (ПАК) – пристрій, який забезпечує виконання алгоритму керування автоматично, без участі людини.
Uвх(t) – задаюча (вхідна) величина (задаючий сигнал) – величина, яка відповідає дії людини на САК і задає певний алгоритм функціонування об’єкта, тобто задає потрібний режим його роботи.
Uрег(t) – керуюча (регулююча) величина (сигнал регулювання) – дія пристрою автоматичного керування на об’єкт з метою підтримання його алгоритму функціонування.
Uвих(t) – вихідна величина (вихідний сигнал) – результат роботи системи, параметри роботи системи, які описуються в алгоритмі функціонування.
f(t) –збурююча дія (сигнал збурення) – зовнішня дія на об’єкт, яка призводить до зміни вихідних величин більших ніж допускається алгоритмом функціонування.
Вихідна величина системи Uвих(t) – це результат роботи систем. Це та фізична величина (сукупність величин), яка визначається в алгоритмі функціонування, на дотримання якої в заданих межах направлене керування. Вихідний сигнал - це інформація про значення вихідної величини.
Керуюча дія – це дія пристрою керування Uрег(t), це певна фізична, електрична, механічна чи інша реакція пристрою керування, яка передається до об’єкта керування і змінює режим його роботи, приводить функціонування об’єкта у відповідність з алгоритмом функціонування. Сигнал регулювання - це значення величини керуючої дії.
Збурення, чи збурююча дія f(t) – це всі можливі впливи, які порушують режим роботи системи, ведуть до порушення алгоритму функціонування у границях більших допустимих. Через дію збурення система змінює режим роботи і через нього виникає потреба здійснювати автоматичне регулювання. Сигнал збурення - це інформація про значення збурюючої дії .
Теорія автоматичного керування вивчає процеси керування на найбільш загальному, абстрактному рівні. Вона вивчає загальні закони керування незалежно від природи конкретної системи. Тому у ній абстрагуються від конкретної фізичної природи системи і діючих в ній величин і розглядають тільки їх значення. Під час абстрагування поняття фізичної величини заміняють поняттям сигнал, розуміючи під сигналом інформацію про значення конкретної величини.
Під поняттям величина (вхідна, вихідна, збурююча величина і т.п.) розуміють конкретну фізичну величину, яка діє на систему з врахуванням її фізичної природи. Наприклад температура, напруга, швидкість обертання, світловий потік, і т.п. Поняття величина використовують у випадках коли пояснюють роботу конкретної реально існуючої системи керування.
Поняттям сигнал використовують під час теоретичного вивчення закономірностей роботи систем керування, вивчення принципів керування, законів керування. В даному випадку не має значення фізична сутність величини, а відіграє роль тільки її значення. Під поняттям сигнал (вхідний сигнал, задаючий сигнал, збурюючий сигнал, вихідний сигнал і т.п.) розуміють інформацію про значення величини (вхідної, задаючої., збурюючої), без урахування її конкретної фізичної природи.
У випадку, коли йде мова про конкретну систему, коли результати теорії потрібно використати для опису роботи певної технічної системи, тоді поняття сигнал міняють конкретною фізичною величиною, як наприклад напругою, силою, положенням ручки регулятора тощо.
Слід зауважити, що існує два поняття - керування і регулювання. Відповідно до цього розрізняють теорію керування та теорію регулювання. Керування – це більш загальне поняття охоплює значно ширше коло задач. Теорія автоматичного регулювання займається питаннями регулювання режимів роботи систем. Закони ТАК - це, переважно, закони регулювання. Тому раніше розділяли наукові дисципліни і виділяли теорію автоматичного регулювання як окрему наукову дисципліну. Термін „теорія регулювання” дещо точніший, більш точно визначає предмет вивчення. Але керування - більш загальне поняття в останній час цей термін є більш вживаним і ним ми будемо тут користуватися.