Управление (стр. 2 из 6)

В некоторых случаях сложный процесс управления осуществляется человеком или даже группой людей с помощью различных автоматических устройств, выполняющих отдельные операции, необходимые для управления. Такая система управления называется автоматизированной. Примером автоматизированной системы управления может служить система управления войсками, содержащая устройства и вычислительные машины, осуществляющие автоматический сбор и обработку информации и вырабатывающие различные варианты решений и их сравнительные характеристики.

При изучении процесса управления приходится рассматривать совместную работу объекта управления и системы управления и их взаимодействие. Только при этом условии можно изучить процессы управления, основанные на принципе обратной связи. Объект управления вместе с системой управления представляет собой сложную динамическую систему, которую мы будем называть в дальнейшем для краткости автоматической системой.

В некоторых случаях задачей управления является обеспечение постоянства некоторой физической величины. Такой частный вид управления обычно называется регулированием. Автоматическая система управления, обеспечивающая регулирование значения какой-либо физической величины, называется регулятором. Автоматическая система, состоящая из регулируемого объекта и регулятора, называется системой автоматического регулирования. Процессы автоматического регулирования широко распространены в живой природе. Примерами могут служить регулирование ритма сердца, регулирование ритма дыхания, регулирование температуры тела и т.д.

Простейшие автоматические системы управления, а именно системы автоматического регулирования, появились очень давно, по существу вместе с первыми машинами. Первые же попытки создания машин показали, что никакая машина не может нормально функционировать без соответствующих регуляторов. Так например, для нормального функционирования паровой машины оказалось необходимым поддерживать постоянное давление пара в паровом котле и постоянную скорость вращения махового колеса.

В качестве примера простейшего регулятора на рисунке приведен схематический чертеж центробежного регулятора скорости вращения махового колеса паровой машины, который был изобретен в 1784 г. Джемсом Уаттом. Этот регулятор состоит из двух грузов 2, подвешенных на шарнирах вдоль оси вертикального вала 1. Рычаги грузов связаны с муфтой 3, которая может перемещаться вдоль вала 1. Муфта 3 в свою очередь связана рычагом с заслонкой (дросселем) 4, положение которой определяет сечение отверстия, через которое пар поступает из котла в цилиндр паровой машины. При определенной угловой скорости вала 1 грузы 2, муфта 3 и заслонка 4 находятся в определенном положении. Конструкция рычагов и заслонки выбирается таким образом, чтобы при нужной угловой скорости сечение отверстия для прохода пара было таким, чтобы машина вращала вал именно с этой скоростью. Тогда, если скорость вращения вала 1 превысит заданную величину, то центробежная сила грузов увеличится, вследствие чего грузы поднимутся и переместят муфту 3 заслонку 4. При этом подача пара в машину уменьшится, что вызовет уменьшение угловой скорости вала 1, т. е. приближение ее к заданному значению. Если угловая скорость вала станет меньше заданного значения, то грузы опустятся и переместят заслонку вверх, вследствие чего подача пара в машину увеличится. В этом простейшем регуляторе грузы являются и измерителем отклонения угловой скорости от заданного значения, и исполнительными устройствами, осуществляющими управление заслонкой, а устройства для анализа информации полностью отсутствуют.

Простейшие регуляторы обеспечивают функционирование машин, управляемых человеком, и на протяжении многих десятилетий были достаточны. И лишь с развитием физики и особенно электроники, с развертыванием производства электронных приборов, с появлением быстродействующих математических машин, могущих в течение коротких интервалов времени выполнять сложные математические и логические операции, стало возможным создание сложных систем управления, осуществляющих управление сложными процессами и одновременное управление большим числом объектов.

Соответственно развитию техники и ее возможностей развивалась и теория автоматического управления. Вначале, когда существовали лишь простейшие регуляторы, теория автоматического регулирования была по существу лишь собранием примеров применения методов теории дифференциальных уравнений. Затем стали создаваться специальные методы исследования систем автоматического регулирования, поведение которых описывается дифференциальными уравнениями, и теория автоматического регулирования стала специальной отраслью прикладной теории дифференциальных уравнений. В послевоенный период теория автоматического управления стала бурно развиваться. Новые технические средства, новые задачи управления потребовали новых научных методов, привлечения различных существующих математических методов и разработки новых. В результате сейчас теория автоматического управления развилась в самостоятельную прикладную техническую науку, располагающую своими специфическими эффективными методами исследования автоматических систем, их расчета и проектирования.

Однако как техника, так и теория автоматического управления находится в настоящее время в состоянии интенсивного развития. Поэтому мы сейчас умеем решать пока еще далеко не все задачи теории автоматического управления, которые выдвигает практика и решение которых необходимо для дальнейшего развития автоматики, для создания новых, все более и более сложных автоматических систем управления. В частности, в настоящее время пока еще не разработаны методы исследования процессов управления одновременно большим числом объектов, обладающих известной самостоятельностью действий и свободой поведения. Поэтому мы можем изложить здесь лишь общие методы расчета и исследования автоматических систем и их составных частей и общие принципы решения задач управления.

2 Цель управления в технических системах

Основной принцип управления — принцип отрицательной обратной связи — универсален, но специфика его применения существенно зависит от управляемого процесса, изучение которого является предметом соответствующих наук, ставящих цели управления (например, технических, экономических, биологических, общественных и т. д.).

Необходимо подчеркнуть важность и определяющую роль четкой формулировки цели управления. Нет цели — нет управления! Например, в зависимости от того, какой у предприятия план — по валу или по номенклатуре изделий, будут получены совершенно разные конечные результаты.

Цель управления процессом или объектом — конечный технический или экономический результат, который может быть достигнут системой управления на определенном временном интервале ее нормального функционирования.

Цель управления формулируют не специалисты по управлению, а, например, технологи, инженеры-аэродинамики, экономисты, биологи, т. е. специалисты в той области техники, в которой необходимо применить управление. Основная задача специалистов по управлению состоит в том, чтобы создать систему для сбора информации, необходимой для осуществления цели управления, передачи, представления или преобразования ее в удобную форму, переработки и, наконец, принятия решения о том, как использовать эту информацию, чтобы обеспечить выполнение цели объектом управления. Техническое решение этой задачи связано с применением различных аппаратных и программных средств.

3 Принципы и основы построения систем автоматического регулирования

Теория автоматического регулирования появилась и достигла довольно высокого уровня гораздо раньше, чем теория автоматического управления. Становление и развитие ТАУ потребовало использования современных достижений теории информации, информатики, вычислительной техники.

Однако основные понятия, принципы и методы ТАУ сформировались в ТАР. Поэтому в этом реферате сначала даются основные принципы регулирования САР, потом вводится понятие САУ, а затем рассматривается более сложная проблема — проблема управления.

Рассмотрим ряд технологических процессов, которые характеризуются тем, что в течение продолжительного времени необходимо поддерживать постоянными или изменять по определенному закону некоторые физические величины на выходе соответствующего управляемого объекта (машины, установки, агрегата и т. д.). Эти величины называют регулируемыми переменными (например, частоту вращения вала турбины, температуру и давление на выходе технологической установки, напряжение на клеммах генератора, координаты движущегося объекта и т. д.).

Для технической реализации таких процессов используют специальные устройства, называемые автоматическими регуляторами, которые на основании измерения регулируемых переменных должны оказывать соответствующие управляющие воздействия на объект регулирования.

Целенаправленное изменение поведения объекта во времени может осуществляться по принципу разомкнутого или замкнутого циклов. Рассмотрим два варианта системы автоматического регулирования частоты вращения вала нагруженного электродвигателя (см. рис. 1).

Рис. 1. Схемы САР:

а — система без обратной связи (разомкнутый цикл):

б — с обратной связью (замкнутый цикл)

Система разомкнутого цикла. В системах как разомкнутого (рис. 1, а), так и замкнутого цикла (рис. 1, б) входным управляющим воздействием является перемещение токосъемного элемента (движка 2) потенциометра 1. Последний преобразует это перемещение в напряжение на входе усилителя 3, что приводит к изменению тока в обмотке якоря электродвигателя 4—исполнительного элемента системы. Это в свою очередь вызовет соответствующее изменение угловой скорости вала электродвигателя (Эдв). При идеальных условиях частота вращения вала в установившемся режиме будет однозначно соответствовать заданной уставке — положению движка потенциометра.