Глава 1. Основные принципы построения систем автоматического управления

1. Основные понятия и определения теории автоматического управления

Из данных выше определений автоматического регулирования и управления следует, что автоматическая система любой сложности состоит из управляемого объекта (объекта автоматического управления) и автоматического управляющего устройства.

Объект управления – объект, для достижения желаемых результатов функционирования которого необходимы и допустимы специально организованные воздействия. Это совокупность технических средств (машин, аппаратов, устройств), которая нуждается в оказании специально организованных воздействий извне для достижения поставленной цели управления.

Объект управления, подвергаемый управляющим воздействиям, можно называть управляемым объектом. Объектами управления могут быть как отдельные объекты, выделенные по определенным признакам (например, конструктивным, функциональным), так и совокупности объектов – комплексы.

В зависимости от свойств или назначения объектов управления могут быть выделены технические, технологические, экономические, организационные, социальные и другие объекты управления и комплексы.

Цель управления – сравнение соотношения значений координат процессов в объекте управления или их изменения во времени, при которых обеспечивается достижение желаемых результатов функционирования объекта.

Управляющее воздействие – воздействие на объект управления, предназначенное для достижения цели управления.

Управление – процесс выработки и осуществления управляющих воздействий. Выработка управляющих воздействий включает сбор, передачу и обработку необходимой информации, принятие решений, обязательно включающее определение управляющих воздействий.

Объектами управления могут быть доменная печь, прокатный стан, генератор, двигатель и т.д.

Состояние этих объектов можно характеризовать одной или несколькими величинами. Например: прокатный стан можно характеризовать скоростью прокатки, величиной обжатия и сортаментом прокатываемого металла; генератор - напряжением и его частотой; двигатель - скоростью вращения и моментом на валу.

Физические величины (координаты), характеризующие состояние объекта называются выходными величинами (управляемыми, регулируемыми координатами) объекта [y(t)].

В нормальном, требуемом ходе процесса выходные величины поддерживают на определенном уровне или изменяют по требуемому закону, т.е. поведение выходной величины подчиняют определенному алгоритму.

Совокупность правил, предписаний или математических зависимостей определяющих характер изменения выходных величин объекта называется алгоритмом функционирования.

Например, поддержание постоянства скорости вращения двигателя равной заданному значению; изменение выходной величины по заданному значению (программное управление); изменение выходной величины по заранее неизвестному закону (следящие системы автоматического управления радиолокационными станциями).

Реализация требуемого алгоритма функционирования обеспечивается управляющим воздействием U(t). Это воздействие вырабатывается автоматическим управляющим устройством.

Автоматическим управляющим устройством (АУУ) называется устройство, осуществляющее воздействие на управляемый объект в соответствии с законом управления. В наиболее простых случаях автоматическое управляющее устройство называют регулятором.

Например, автоматическое управляющее устройство, которое вырабатывает управляющее воздействие, направленное на регулирование напряжения, тока, скорости, называют, соответственно, регулятором напряжения, тока, скорости. На вход АУУ подается задающее воздействие (Х, х)- величина, характеризующая планируемое воздействие на входе автоматической системы.

В большинстве случаев управляющее воздействие вырабатывается в соответствии с заданной математической зависимостью, которую называют законом управления.

Законом управления называют математическую зависимость, в соответствии с которой управляющее воздействие на объект вырабатывалось бы безнерционным управляющим устройством.

Рассмотрим простейшие, наиболее распространенные законы управления.

1. Пропорциональный закон (обозначаемый П):

, (1.1)

где X_вх- входное воздействие подаваемое на вход регулятора.

Регулятор осуществляющий этот закон, называют пропорциональным (П - регулятор). Постоянную величину K_pназывают коэффициентом передачи (усиления).

2. Интегральный закон (И):

, (1.2)

или

, (1.2а)

Постоянная Тимеет размерность времени и ее называют постоянной времени интегрирования. Этот регулятор называют И- регулятором.

3. Пропорционально-интегральный закон (ПИ):

, (1.3)

или

, (1.3а)

Регулятор, осуществляющий этот закон, называют ПИ - регулятором.

Помимо управляющего воздействия U(t), к объекту приложено также возмущающее воздействие (возмущение, помеха), которое изменяет состояние объекта, т.е.Y(t), препятствуя управлению.

Возмущающим воздействием или возмущением называется всякая причина (или воздействие), вызывающая отклонение регулируемой величины от предписанного, заданного значения.

Задача автоматического управления сводится, прежде всего, к компенсации возмущений. Это означает организовать такое воздействие на объект регулирования, которое устранило бы частично или полностью влияние этих возмущений на регулируемую величину. Возмущения могут возникать как вне системы регулирования, так и внутри нее самой. Например, при регулировании скорости вращения электродвигателя могут появляться возмущения в виде изменения нагрузки на валу двигателя (главный вид возмущения) или в виде колебаний в питающей сети. Эти виды возмущений, связаны с взаимодействием объекта управления с внешней средой и называются внешними (координатными) возмущающими воздействиями. Заданное значение скорости вращения электродвигателя может изменяться по другим причинам, например, вследствие изменения сопротивления якорной цепи или обмотки возбуждения, вызванного изменением температуры, или вследствие изменения параметров других элементов, входящих в систему автоматического управления. Такие возмущения называются внутренними (параметрическими) возмущающими воздействиями.

Пользуясь приведенными определениями, можно составить простейшую блок-схему САУ с одной регулируемой величиной (рисунок 1.1) и дать более конкретный ответ на вопрос, что значит управлять объектом.

Управлять объектом - это значит вырабатывать управляющее воздействие [U(t)]с таким расчетом, чтобы регулируемая величина[Y(t)]изменялась по требуемому закону с определенной точностью независимо от действия на объект возмущающего воздействияF(t).

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.

Системой автоматического управления (САУ) или системой автоматического регулирования (САР) называют совокупность управляемого объекта и управляющего устройства, взаимодействующих между собой в соответствии с алгоритмом функционирования.

Рисунок 1.1 Блок-схема САУ с одной регулируемой величиной

f1(Xy), f2(XF) - сигналы, несущие информацию о выходной величине и возмущающем воздействии; Х_вх - задающее воздействие