Основные принципы управления
Теория автоматического регулирования и управления — это наука о принципах построений автоматических систем и закономерностях, протекающих в них процессов. Основная задача этой науки состоит в построении оптимальных или близких к ним автоматических систем, а также в исследовании статики и
Рис. 1. Блок-схемы управляющего объекта с одной (а) и несколькими (б) регулируемыми величинами.
динамики этих систем. Современные методы теории автоматического управления позволяют выбрать рациональную структуру системы, определить оптимальные значения параметров с учетом регулярных и случайных воздействий, оценить устойчивость н показатели качества процессов управления (точность, быстродействие, помехозащищенность и др.).
Автоматическая система любой сложности состоит объекта (объекта управления) и автоматического управляющего устройства
Управляемый объект — это совокупность технических Аппаратов,
устройств), которая нуждается в оказании специально организованных
воздействий извне для достижения поставленной цели управления. В
современной технике часто возникает необходимость автоматического
управления объектами самой различной физической природы. К ним
относятся, например, прокатные станы, атомные реакторы, паровые и
газовые турбины, электрические генераторы и двигатели, антенны
радиолокационных станций, летательные аппараты (самолеты, ракеты,
космические корабли, объекты военной техники и др. Интересным
управляемым объектом является космическая станция. Всем известны
успешные полеты советских автоматических станций и систем «Космос»,
«Восток», «Союз», «Протон», «Зонд» и «Луна», начиная с 1957 г. Их
осуществление без автоматических средств было бы невозможным.
Для осуществления управления объект должен иметь орган
управления, или регулирующий орган, изменяя положение которого можно
воздействовать на объект. Если объектом управления является, например, электрический генератор, то регулирующим органом может быть обмотка возбуждения. Органами управления самолета являются рули.
Физические величины (координаты) объекта, которые преднамеренно изменяются или сохраняются неизменными в процессе управления, называются регулируемыми, или управляемыми^ величинами. Обычно регулируемые величины В той или иной степени характеризуют качественные показатели процесса в управляемом объекте. Так, например, положение летательного аппарата в пространстве в каждый момент времени полностью определяется шестью координатами: тремя координатами центра масс и тремя координатами относительно центра масс, все из которых в общем случае могут быть управляемыми величинами.
Если управляемый объект (УО) характеризуется одной регулируемой величиной хвых(1) и одним управляющим воздействием и ф, то он называется простым (рис. 1). Математическое описание такого объекта сводится к получению уравнений, связывающих регулируемую величину со всеми внешними воздействиями на объект (на рис. 1, а — координатное^ (0 и параметрическое ^(1:) возмущающие воздействия.
После того, как мы изложили предварительные сведения об объекте, можно дать ответ на вопрос, что значит управлять объектом:
На
рис. 1, б
изображена блок-схема управляемого
объекта с несколькими регулируемыми
величинами — функциями времени Хвьа
(О, которые
можно рассматривать как компоненты
вектора Хвых
(I),
называемого вектором состояния
управляемого объекта. Вектор Хвьа
(1)
может изменяться под действием трех
основных факторов: вектора координатного
возмущающего воздействия (I), компоненты
которого непосредственно влияют на
изменение регулируемых величин объекта;
вектора параметрическою возмущающего
воздействия ^(1), оказывающего влияние
на регулируемые величины объекта через
его параметры; вектора управляющего
воздействия и
(1), который имеет составляющие по всем
регулируемым величинам, т. е. по всем
каналам управления
Рис.2. Блок-схема автоматической системы с одно регулируемой величиной.
После того, как мы изложили предварительные сведения об объекте, можно дать ответ на вопрос, что значит управлять объектом:
управлять объектом — это значит вырабатывать управляющее воздействие и (t) с таким расчетом, чтобы регулируемая величина Xвих(t) изменялась по требуемому закону с определенной точностью независимо от действия на объект координатного fk(t) и параметрического fn(t) возмущающих воздействий.
Управлением в технических системах называется преднамеренное воздействие на управляемый объект, обеспечивающее достижение определенных целей. Управление в простейших системах часто называют регулированием. Автоматическим называется управление, осуществляемое без непосредственного участия человека. Если управляющее воздействие вырабатывается с участием человека, то такое управление называется полуавтоматическим, а системы — автоматизированными системами управления.
Автоматическим управляющим устройством (АУУ) называется устройство, осуществляющее воздействие на управляемый объект в соответствии с заложенным в нем законом управления. Обычно управляющее устройство воздействует на управляемый объект через орган управления. В наиболее простых случаях автоматическое управляющее устройство называют регулятором.
Автоматической системой (системой автоматического управления, или системой автоматического регулирования) называют совокупность управляемого объекта и управляющего устройства, взаимодействующих между собой в соответствии с законом (алгоритмом) управления. Блок- схема автоматической системы с одной регулируемой величиной хвых (t) изображена на рис. 2. Задаваемое на входе требуемое значение регулируемой величины Хвых(t) называется задающим воздействием системы.
Воздействием в автоматике принято называть взаимодействие между автоматической системой (а также между ее частями) и внешней средой*. При этом предполагается, что для автоматики существенны как информационный аспект воздействия, так и энергетический. Воздействия передаются посредством физических величин (напряжения, тока, давления воздуха, угла поворота вала и др.), называемых несущими величинами. Количественный показатель, или параметр, несущей величины (амплитуда, частота, фаза), изменения которого определяют изменения воздействия, передаваемого этой величиной, называют представляющим параметром.
Сигнал — обусловленное (заранее договоренное) состояние или изменение состояния представляющего параметра, отображающее информацию, которая содержится в воздействии. Обычно сигнал выражается некоторой математической функцией, например, Хвх(t), однозначно отображающей изменения во времени представляющего параметра.