Понятие автоматической и автоматизированной систем, информация и принципы управления

Основные понятия и определения теории автоматического управления

Процессы управления многообразны, и мы постоянно наблюдаем их в окружающем мире. Например, человек в процессе своей деятельности управляет различными производственными процессами, средствами транспорта и т.д.

Состояние процесса или объекта характеризуется некоторой совокупностью переменных, называемых параметрами состояний или координатами. Целью автоматического управления является либо поддержание заданного значения, либо изменение по какому-либо закону физических переменных (переменной), характеризующих состояние объекта (процесса). Координаты (переменные), которые изменяются по заданному закону, называются управляемыми (регулируемыми) величинами. Процесс или объект, физические величины которого регулируются (управляются), называется объектом управления.

Устройства, осуществляющие автоматическое управление (регулирование), называются автоматическим регулятором.

Совокупность объекта управления и автоматического регулятора, представляющего единую динамическую систему, образует систему автоматического управления.

Следовательно, системой автоматического управления (САУ), называется динамическая система, автоматически обеспечивающая изменение регулируемых величин (величины) по требуемому закону – алгоритму функционирования.

Изменение регулируемых координат в требуемом ходе процесса определяется совокупностью правил или математических зависимостей, называемых алгоритмом функционирования. Алгоритм функционирования определяется техническими, экономическими или другими требованиями. На основании известных динамических свойств объекта управления и заданного алгоритма функционирования определяется такой алгоритм управления, реализуемый регулятором, который обеспечивает алгоритм функционирования системы в целом.

Чтобы приблизить состояние САУ к требуемому, алгоритм управления необходимо увязывать не только со свойствами САУ и алгоритмом функционирования, но и с фактическим функционированием САУ. В основе построения САУ лежат некоторые общие фундаментальные принципы управления, определяющие, каким образом осуществляется увязка алгоритмов функционирования и управления с фактическим функционированием или причинами, вызывающими отклонения функционирования от заданного.

Понятие автоматической и автоматизированной систем, информация и принципы управления

Автоматизированная система управления АСУ является разновидностью систем управления, которая включает технические средства, обеспечивающие сбор, переработку и вывод информации, но предполагает определенные затраты труда человека для реализации отдельных функций управления.

Как и любая система управления АСУ в процессе ее функционирования решает три основные задачи:

- сбор и передача информации об объекте управления;

- переработка информации;

- выдача управляющих воздействий.

При рассмотрении объектов управления различного назначения важен правильный выбор совокупности параметров, характеризующих объект и позволяющих на основании результатов анализа его функционирования определять необходимые управляющие воздействия. В процессе передачи информации необходимо обеспечить требуемую скорость при минимальных потерях информации в процессе ее передачи.

Вышеперечисленные задачи, решаемые АСУ, являются общими принципами построения всех систем управления. Кроме данных принципов при построении АСУ должны учитываться особенности автоматизированного управления. Основными особенностями является информационный, вероятностный и системный подходы к процессу управления, включение человека в контур управления, наличие функций самоуправления.

В настоящее время используются четыре принципа управления:

- принцип разомкнутого управления;

- принцип обратной связи (управления по отклонению);

- принцип компенсации (управления по возмущению);

- комбинированный.

Сущность принципа разомкнутого управления заключается в том, что алгоритм управления формируется регулятором только на основе заданного алгоритма функционирования и динамики объекта управления, при этом не контролируется характер изменения регулируемых координат и влияние возмущений. Схема САУ, построенная на основе принципа разомкнутого управления, изображена на рис. 1.1, а. Датчиком (1) вырабатывается алгоритм функционирования в виде сигнала g и подается на вход регулятора – управляющего устройства (2). Регулятор на основе алгоритма управления формирует управление u , которое воздействует на объект управления (3) таким образом, чтобы регулируемая величина x изменялась в полном соответствии с алгоритмом функционирования. Система имеет вид разомкнутой цепи, в которой сигнал от датчика (1) до объекта управления (3) проходит по прямой цепи, что дало основание названию принципа.

Точность воспроизведения регулируемой величиной x закона изменения g (задающей величины) обеспечивается выбранным алгоритмом управления, конструкцией элементов регулятора и подбором физических закономерностей, действующих во всех элементах. Хотя данный принцип и не обеспечивает высокой точности работы САУ, однако он получил широкое распространение ввиду простоты его реализации.

В системах, построенных по принципу обратной связи (управление по отклонению), регулируемые координаты изменяются в соответствии с законом функционирования путем приложения к регулятору воздействий, зависящих от величины отклонения регулируемых координат от требуемых значений. Следовательно, система управления по отклонению есть такая система, в которой измеряются отклонения e_i регулируемых координат (величин) x_i от их требуемых значений g_i .

В соответствии с измеренными величинами e_i регулятором (2) на основе

Рис. 1.1. Схемы систем управления

алгоритма управления формируются управления u_i, прикладываемые к объекту управления с целью устранения возникших отклонений (рис. 1.1, в). Для этой цели в систему вводят дополнительную связь (5). Так как направление передачи воздействия в дополнительной обратной связи обратно направлению передачи основного воздействия на объект, введенную дополнительную цепь называют цепью обратной связи. Поэтому данный принцип управления является принципом обратной связи или управления по отклонению. Схема САУ имеет вид замкнутой цепи, что дало основание назвать данный принцип управления также принципом управления по замкнутому контуру.

Разность отклонения между задающим воздействием и регулируемой координатой называется сигналом ошибки

,

поэтому иногда данный принцип управления называют принципом управления по ошибке. Измерение сигнала ошибки осуществляется измерительным элементом (6), который конструктивно входит в регулятор.

На функциональной схеме системы (рис. 1.2) показаны основные устройства (элементы), обычно входящие в состав систем автоматического управления по отклонению. Рассмотрим назначение каждого из этих элементов.

Рис. 1.2. Функциональная схема замкнутой САУ

Измерительное устройство предназначено для измерения отклонения регулируемой величины x от требуемого значения g и формирования сигнала ошибки e.

Управляющее устройство предназначено для усиления мощности сигнала ошибки и преобразования сигнала ошибки в соответствии с определенным алгоритмом управления. В результате такого преобразования сигнал на выходе усилительно-управляющего устройства может содержать составляющие, зависящие от производных и интегралов сигнала ошибки. Этим достигаются необходимые свойства системы автоматического управления.

Исполнительное устройство служит для преобразования сигнала на выходе усилительно-преобразовательного устройства в регулирующее воздействие u. В состав исполнительных элементов входят исполнительные двигатели и регулирующие органы (рули автопилота, дроссели, регулирующие клапаны, заслонки и т.д.).

В САУ регулируемая величина x без изменения по модулю, но с обратным знаком по цепи обратной связи подается на вход САУ, т.е. на вход измерительного элемента (ИЭ). Поэтому такие обратные связи в САУ называются главными отрицательными обратными связями (ГООС).

Принцип обратной связи весьма широко распространен не только в технике, но и в процессах управления, осуществляемых в живых организмах (системах регуляции различных функций температуры, ритма кровообращения и др.). В управлении общественными организациями этот принцип реализуется в виде проверки исполнения принятых решений и распоряжений, играющих роль управляющих воздействий.

В системах, построенных по принципу управления по возмущению (принцип компенсации), регулируемые координаты возвращаются и удерживаются в области требуемых значений путем компенсации приложенных к системам воздействий (возмущений) – рис. 1.1,б.

Возмущающим воздействием f называется всякое воздействие, стремящееся нарушить требуемую функциональную связь между регулируемой координатой x и задающей величиной g . Для построения таких систем необходимы измерители возмущений (4) (рис. 1.1,б), измеряющие приложенные к системе возмущения, и устройства, вырабатывающие воздействия, их компенсирующие. Следует помнить, что компенсация достигается только по измеренным возмущениям.

В ряде случаев эффективно применение принципа комбинированного управления по отклонению и возмущению. В комбинированных системах (рис. 1.1,г) реализуются оба принципа управления, причем компенсируются наиболее существенные возмущения введением устройства (4), а отклонения, создаваемые малыми возмущениями, уменьшаются путем введения в систему отрицательной обратной связи (5) (например, компаундирование с коррекцией мощных синхронных генераторов). Комбинированные регуляторы объединяют достоинства обоих принципов – быстроту реакции на изменение возмущений и точное регулирование – независимо от того, какая причина вызвала отклонения.