Автоматическое управление и регулирование

Теория автоматического управления является фундаментом, на котором базируется подготовка инженера по специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах». Изучение этого курса, опирающееся на знание математики, физики, теоретических основ электротехники, электроники, в свою очередь необходимо для понимания таких важных дисциплин, формирующих образование инженера по указанной специальности, как «Оптимальные и адаптивные системы», «Локальные системы управления», «Статистическая динамика» и др.

Большой опыт, накопленный в автоматизации, показывает, что, несмотря на существенные различия многообразных технических процессов, техника управления ими основывается на ряде правил и законов, общих для многих из этих процессов. Более того, ряд законов управления оказывается общим не только для технических устройств, но и для живых организмов и даже для определенных явлений общественной жизни людей.

Известно, что изучение законов управления, общих для технических устройств, живых организмов и общества, составляет предмет кибернетики, которая занимает приоритетные позиции в системе человеческих знаний. Без ее наиболее развитой прикладной инженерной части (технической кибернетики), связанной с управлением техническими системами, немыслимо современное производство. Нас в дальнейшем будет интересовать одна из важнейших частей технической кибернетики – автоматическое управление.

Современные управление и автоматика переживают период бурного расцвета, что связано с появлением новых принципов создания элементной базы, построения автоматических и автоматизированных систем на основе достижений микроэлектроники, измерительной и вычислительной техники

Выше уже использовались ряд терминов – автоматизация, управление. Однако они, хотя и получили в последние годы широкое распространение, всё же нуждаются в более точном определении и пояснении [2].

В технических процессах можно выделить рабочие операции и операции управления. Рабочие операции представляют собой такие действия, непосредственным результатом которых является требуемая обработка материала, энергии или требуемое перемещение материала. Рабочие операции сопряжены с затратами энергии; если они выполняются человеком, то на их выполнение затрачивается его физическая сила.

Вместе с тем очевидно, что для получения хорошего качества продукции в любом технологическом процессе требуются дополнительные операции, должным образом направляющие подводимую энергию. Например, надо управлять температурой, давлением и другими факторами в химическом реакторе, чтобы обеспечить высокое качество выходного продукта при высокой производительности.

Операции управления иногда обособлены от рабочих операций (например, в автомобиле рабочая операция – вращение колес – совершается двигателем, а операция управления ходом машины возложена на водителя), а иногда тесно с ним связаны (например, кузнец, ударяя молотом по поковке, одновременно выполняет и рабочую операцию удара, и операцию управления ударом). Операции управления требуют определенной квалификации исполнителя; на них затрачивается в основном интеллектуальный труд человека.

Замена труда человека в рабочих операциях работой механизмов и машин называется механизацией. В механизированном производстве человек еще не освобожден от функции управления и наблюдения за процессом. Замена труда человека в операциях управления действиями технических управляющих устройств называется автоматизацией. Для проведения автоматизации нужны знания, базирующиеся на теории автоматического управления.

В литературе встречаются термины ТАУ (теория автоматического управления) и ТАР (теория автоматического регулирования). Это не одно и то же, ТАР есть составная часть ТАУ и связана с понятием автоматического регулирования.

Автоматическим регулированием называется процесс поддержания постоянной некоторой заданной величины, характеризующий процесс, или изменение ее по определенному закону, выполняемый автоматически действующим устройством.

ТАР, как научная дисциплина, сложилась к середине сороковых годов прошлого века. Управление охватывает больший круг задач.

Под автоматическим управлением понимается автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основе определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.

Сравнивая определения автоматического регулирования и автоматического управления, можно заключить, что все задачи автоматического регулирования входят в состав задач автоматического управления как более простые случаи. Кроме того, задачи автоматического управления охватывают такие вопросы, как обеспечение оптимальности работы систем управления, адаптация к изменяющимся внешним и внутренним условиям работы и т.п.

ТАУ, как научная дисциплина, переживает стадию формирования. Ряд проблем, выходящих за пределы классической ТАР, еще находятся в стадии становления. В данном курсе предполагается рассматривать вопросы, связанные только с автоматическим регулированием.