double arrow

Автоматическое управление и регулирование

Глава I. Основные понятия и определения в теории автоматического управления

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», «Систематическая динамика» и др.

Теория автоматического управления – одна из важнейших технических наук общего применения. Она дает теоретическую базу исследования и практического применения любых автоматизированных систем во всех областях техники.

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. Кибернетика- наука об оптимальном, целенаправленном управлении сложными системами – основывается на изучении объектов управления при внешних воздействиях на них, получении информации о протекании процессов в этих объектах и на выработке управляющих воздействий.




Качественный скачок в развитии автоматического управления был совершен, когда с системы стали включать быстродействующие ЭВМ. Развитие вычислительной техники привело к созданию больших автоматических систем для управления сложными производственными процессами и целыми отраслями промышленности.



Автоматизация производственных процессов – одно из основных направлений технического прогресса, основа повышения производительности труда, так как позволяет увеличить производительность технологического персонала, улучшает качество продукции, повышает безопасность работы, а также позволяет осуществлять новые высокоинтенсивные процессы, не допустимые при ручном управлении.

Элементарная база автоматики прошла несколько этапов своего развития:

На первом этапе широко использовали релейно-контактную аппаратуру: реле, магнитные пускатели, распределители, переключатели и т.д. В 30 годы прошлого столетия широкое распространение в промышленной автоматике получили электронные лампы и различные электровакуумные приборы. Эти приборы из-за ряда недостатков не были приспособлены для широкого пользования в автоматике. Ограниченный срок службы, низкая виброустойчивость, работа только при положительных температурах и относительной влажности не выше 80%, отсутствия мгновенной готовности к действию из-за наличия цепей разогрева и другие недостатки сдерживали их внедрение в производственные процессы.

На втором этапе, который относится к 50-60-м годам ХХ века, появились полупроводниковые элементы: диоды, триоды, тиристоры, симмисторы и т.д. Эти элементы стали широко использоваться при автоматизации процессов, так как они имели неограниченный срок службы, высокую виброустойчивость, мгновенную готовность к действию, широкий диапазон мощностей, легко компоновались с другой аппаратурой и исполнительными механизмами. Одновременно был создан широкий класс гидравлических и пневмонических логических и функциональных элементов. Эти элементы были дешевле и проще по устройству, взрыво- и пожаробезопасны (так как они без электрических цепей), имеют большую коррозийную стойкость и высокую безотказность работы.

На третьем этапе, 70-е годы, появилось новое направление в создании узлов автоматики и вычислительной техники на принципиально новых элементах, которые были названы интегральными микросхемами. Эти элементы обусловили существенную микроминиатюризацию автоматических устройств.

На четвертом (сегодняшнем) этапе происходит широкое внедрение вычислительной и микропроцессорной техники. Как интегральные, так и функциональные элементы выполняют на так называемых твердых схемах, представляющих собой монолитные полупроводниковые блоки с неоднородной структурой, принцип действия которых основан на физических свойствах твердого тела. Интегральные и функциональные микросхемы - основная фундаментальная база развития новой электронной аппаратуры, характеризующейся высокой надежностью работы из-за отсутствия внутрисхемных соединений и хорошей защиты отдельных ее компонентов от внешних воздействий.

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.

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.

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 большой 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.






Сейчас читают про: