книги / Теория автоматического управления техническими системами

достигнут системой управления на определенном временном ин­ тервале ее нормального функционирования1.

Цель управления формулируют не специалисты по киберне­ тике, а, например, технологи, инженеры-аэродинамики, экономи­ сты, биологи, т. е. специалисты в той области техники, в кото­ рой необходимо применить управление. Основная задача спе­ циалистов по управлению состоит в том, чтобы создать систему для сбора информации, необходимой для осуществления цели управления, передачи, представления или преобразованияее в удобную форму, переработки и, наконец, принятия решения о том, как использовать эту информацию, чтобы обеспечить вы­ полнение цели объектом управления. Техническое решение этой задачи связано с применением различных аппаратных и про­ граммных средств.

Для того чтобы уяснить отличие информационных систем от систем управления, необходимо подчеркнуть, что в первом слу­ чае качественное воспроизведение информационных сигналов и подавление помех являются основной целью, тогда как во вто­ ром —промежуточной, т. е. для принятия или выработки реше­ ний, связанных с управлением объектом, имеющим самые раз­ личные свойства и цели управления.

Кроме того, в определении термина «информатика» не отра­ жена концепция обратной связи, которая требует для своей тех­ нической реализации детального изучения того объекта, на вход которого передается информация. Таким образом, при переходе к понятию управления определение информатики необходимо несколько детализировать.

Вопределении информатики в явной форме не отражено следующее: цель обработки информации, состоящая в принятии и выработке решений для управления объектом на основе принципа обратной связи; анализ каче­ ства достижения цели и др. Управление —это единство цели, модели объ­ екта, алгоритма, программыи анализа результатов достижения цели.

1Математическая формулировка цели управления будет дана далее.

законах управления процессами и объектами различной физиче­ ской природы. Основным объектом исследования являются си­ стемы с обратной связью, цель управления которыми достигает­ ся на основе получения, передачи, переработки и использования информации.

Техническая кибернетика является составной частью, ветвью общей кибернетики. Предметная область технической киберне­ тики —управление разнообразными технологическими процес­ сами и техническими объектами.

Контрольные вопросы

1.Что такое информация? В чем состоит информационная сущность процесса управления?

2.Определите вероятностный аспект понятия информации.

3.При выполнении каких условий возможны передача и прием информации?

4.Что такое информатика и информационная система? Что такое общая и техническая кибернетика?

5.Какая связь между кибернетикой и. теорией управления?

6.В чем заключается принцип обратной связи? Что такое управление по разомкнутому и замкнутому циклам?

7. Дайте определение цели управления в технических си­ стемах.

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИЙ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ИАВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Теория автоматического регулирования появилась и достиг­ ла довольно высокого уровня гораздо раньше, чем теория авто­ матического управления. Становление и развитие ТАУ потре­

бовало использования современных достижений теории инфор­ мации, информатики, вычислительной техники, кратко изложен­ ных в разд. 1.

Однако основные понятия, принципы и методы ТАУ сфор­ мировались в ТАР. Поэтому здесь сначала даются терминоло­ гия, классификация САР, потом формулируется проблема регу­ лирования, а затем более сложная проблема —управления [19].

электродвигателя (см. рис. 2.1).

5 Рис. 2.1. СхемыСАР:

а —система без обратной связи (разомкнутый цикл): б —собратной связью(замкнутый цикл)

Система разомкнутого цикла. В системах как разомкнутого (рис. 2.1,а), так и замкнутого цикла (рис. 2.1,6) входным управляющим воздействием является перемещение токосъемно­ го элемента (движка 2) потенциометра 1. Последний преобра­ зует это перемещение в напряжение на входе усилителя 3, что приводит к изменению тока в обмотке якоря электродвигате­ ля 4 —исполнительного элемента системы. Это в свою очередь вызовет соответствующее изменение угловой скорости вала электродвигателя (Эдв). При идеальных условиях частота вра­

щения вала в установившемся режиме будет однозначно соот­ ветствовать заданной уставке—положению движка потен­

циометра.

Частоту вращения вала можно контролировать при помощи

тахогенератора 5 и вольтметра 6, но результаты этого контроля не используют в процессе регулирования.

Рассмотренная схема не имеет замкнутого пути обхода, т. е. является разомкнутой. Для установления соответствия между входом (положением движка 2) и выходом (частотой враще­

ния) система должна быть тщательно отградуирована. Конкрет­

При изменении этой нагрузки,градуировка нарушается. Кроме того, при износе и старении элементов системы, при колеба­

ниях температуры и т. д. эта градуировка также нарушается. Поэтому системы, работающие по принципу разомкнутого цик­ ла, не могут обеспечить высокую точность регулирования. В них не измеряется результат, вызываемый управляющим воздейст­ вием, т. е. перемещением движка, и не осуществляются дейст­ вия, влияющие на этот результат, с тем чтобы он соответство­ вал требуемому.

Система замкнутого цикла, принцип обратной связи. Эта си-

.стема (см. рис. 2.1,6) отличается от системы разомкнутого цикла тем, что выходное напряжение тахогенератора 5 срав­ нивается с уставкой на входе, т. е. с напряжением Ùa, которое снимается с потенциометра 1. Если угловая скорость электро­ двигателя отличается от заданной, то возникает сигнал ошиб­ ки ДU=UB—£/тг. Усиление сигнала Д/Упо мощности до уров­ ня, необходимого для нормальной работы Эдв, осуществляет усилитель 3. Электродвигатель с встроенным на его валу тахогенератором отрабатывает сигнал ошибки до определенного значения, которое в установившемся режиме и задает частоту вращения вала нагрузки при определенном значении £/п. Зна­

чение сигнала ошибки тем меньше, чем больше коэффициент усиления усилителя по напряжению.

Отметим, что модуль и знак сигнала ошибки определяют соответственно угловую скорость и направление вращения ва­ ла Эдв, т. е. вала механической -нагрузки.

Принцип управления, основанный на использовании ООС, характеризуется тем, что не требует градуировки и сохра­

САР с одной регулируемой величиной показана на рис. 2.2.

Цифрой 1 обозначено устройство для сравнения управляюще­ го воздействия с регулируемой переменной; цифрой 2 —объект

и регулятор. Отметим, что если управляющее воздействие^(О может быть приложено только к сравнивающему устройству системы, то возмущающее воздействие f(t) может быть прило­ жено к любой точке САР.

Внешние воздействия на систему 'приводят к тому, что тре­ буемые и действительные значения регулируемой величины отличаются друг от друга. Разность между необходимым и дей­ ствительным значением регулируемой величины является ошибкой системы автоматического регулирования.

Отклонением регулируемой величины называют разность между значением регулируемой величины в данный момент времени и некоторым фиксированным ее значением, принятым за номинальное или за начало отсчета (рис. 2.3, а).

Рис. 2.3. Основные переменны (воздействия н сигналы) в САР:

g(t) нf(t) —управляющее и возмущающее воздействия; с (<) —рассогла­ сование или сигнал ошибки; x(t) —регулируемая переменная

В то время как отклонение х(/) регулируемой величины при неограниченно возрастающих управляющих воздействиях является также «неограниченно возрастающей функцией вре­ мени, ошибка e(t) остается ограниченной (рис. 2.3, б). Воздей­ ствие, приложенное к сравнивающему элементу системы регу­ лирования, называют входным сигналом, или сигналом на вхо­ де системы автоматического регулирования.

При введении отрицательной обратной связи система слабо реагирует на возмущающие воздействия и подчиняется глав­ ным образом управляющему воздействию, т. е. замкнутая си­ стема регулирования по существу представляет собой фильтр, который достаточно точно воспроизводит управляющее воздей­ ствие и подавляет возмущающее.

Сигнал, который поступает с выхода системы на ее вход, называют сигналом главной обратной связи, а разность между

входным сигналом и сигналом главной обратной связи —сиг­ налом ошибки.

2.2. Классификация САР. Основные функциональные устройства САР

В зависимости от характера изменения входного (задающе­ го) управляющего воздействия g(t) САР могут быть подразде­ лены на три основных типа:

1) системы автоматической стабилизации (или собственно системы автоматического регулирования). В них управляющие воздействия представляют собой заданные постоянные величи­ ны ( уставки);

2) системы программного регулирования. В них управляю­ щие воздействия являются известными функциями времени (изменяются по программе);

3) следящие системы. В них задающие воздействия пред­ ставляют собой заранее неизвестные функции времени.

Если в САР, показанной на рис. 2.1,6, входной сигнал со­ храняет постоянное значение (движок потенциометра неподви­ жен), то она представляет систему автоматической стабилиза­ ции угловой скорости электродвигателя. Постоянное значение, которое имеет входной сигнал, называется настройкой (устав­ кой) автоматического регулятора. Уставке соответствует тре­ буемое значение регулируемой величины объекта.

Если движок потенциометра перемещается по заранее рас­ считанной программе, например с помощью кулачкового меха­ низма, и снимаемое с него напряжение является заданной функ­ цией времени, то такая САР представляет систему програм­ много регулирования.

Если движок потенциометра перемещается по заранее не­ известному закону, например в соответствии с показаниями какого-либо измерительного прибора, и угловая скорость электродвигателя должна находиться в определенной функцио­ нальной зависимости от положения движка, то САР является следящей системой.

На рис. 2.4 приведена типовая функциональная схема САР с регулиру­ емой переменноей x(t). Система состоит из объекта регулирования и ав­ томатического регулятора. Объект регулирования —основной элемент систе­ мырегулирования, т. е. машина или установка, заданный режим работы которой должен поддерживаться регулятором при помощи регулирующих органов.

Рассмотрим устройства и элементы, входящие в регулятор, по их функ­ циональному признаку, т. е. по назначению(см. рис. 2.4) :

1_Jomyj/K_____

{измерительно» ycmpcüunSô)

Рис. 2.4. Функциональная схема типовой САР и основные ее устройства

Рис. 2.5. Функциональные элементыСАР

Конкретны схемысистемрегулирования могут отличаться от типовой схемы(см. рис. 2.4). Часть устройств может отсутствовать или может быть конструктивно объединена в одномустройстве. Всистемы регулирования могут входить и другие элементы, не показанные на рис. 2.4. Что касается функций корректирующих устройств, то их могут выполнять также цифро­ вые ианалоговые вычислительны машины.

2.3. Прямое и непрямое регулирование, одноконтурные и многоконтурные, несвязанные и связанные САР

Прямое и непрямое регулирование. Как уже отмечалось, САР состоит из объекта регулирования и регулятора. Регуля­ тор имеет чувствительный элемент, который измеряет отклоне­ ние регулируемой величины. Чувствительный элемент воздейст­ вует на регулирующий орган, изменяющий параметр таким об­ разом, чтобы значение регулируемой величины стало равно за­ данному. В простейших регуляторах чувствительный элемент непосредственно осуществляет перемещение регулирующего ор­

ва, которые работают от дополнительного источника энергии. При этом чувствительный элемент воздействует на управляю­ щий орган вспомогательного устройства, а вспомогательное устройство осуществляет перемещение регулирующего органа

(см. рис. 2.9,6).

Системы непрямого регулирования необходимо применять в тех случаях, когда мощность чувствительного элемента недо­

статочна для перемещения регулирующего органа и необходимо

иметь высокую чувствительность измерительного элемента. Одноконтурные и многоконтурные САР. Современные САР

помимо главных обратных связей часто имеют местные ОС, а

также параллельные корректирующие устройства (см. рис.2.4). САР с одной регулируемой величиной, имеющие только

одну главную обратную связь и не имеющие местных обратных связей (системы с одним контуром регулирования), называют

турными. В них воздействие, приложенное к какой-либо точке, может обойти систему и вернуться в эту точку, следуя по не­ скольким различным путям обхода (см. также рис. 2.4).

Системы несвязанного и связанного автоматического регу­ лирования. Системы с несколькими регулируемыми величинами (многомерные САР, рис. 2.6) можно подразделить на два вида.

Рис. 2.6. Классификация, многомерных ОАР

1. Системы несвязанного регулирования—такие, в которых регуляторы, предназначенные для регулирования различных физических величин, не связаны друг с другом и могут взаимо­ действовать через общий объект регулирования. Системы не­