Конспект лекций. – Измаил, ОНМА, 200(- 93с.
Конспект лекций
ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
(ТАУ)
Измаил 2009
Изложены основы теории автоматического управления: построение, методы математического описания, анализа устойчивости, оценки качества и синтеза линейных автоматических систем управления.
Ил. 54, список лит. – 6 назв.
ВВЕДЕНИЕ
Вы узнаете:
· Что такое теория автоматического управления (ТАУ).
· Что является объектом, предметом и целью изучения ТАУ.
· Каков основной метод исследования в ТАУ.
· Каково место ТАУ среди других наук.
· Какова история ТАУ.
· Почему актуально изучение ТАУ.
· Каковы современные тенденции в автоматизации производства.
Что такое теория автоматического управления?
Понятие ТАУ аккумулирует входящие в ее название термины:
· теория – совокупность знаний, позволяющих при определенных условиях получать достоверный результат
· управление – воздействие, оказываемое на объект, для достижения определенной цели;
· автоматическое управление – управление без вмешательства человека с помощью технических средств.
ТАУ – совокупность знаний, позволяющих создавать и вводить в действие автоматические системы управления технологическими процессами с заданными характеристиками.
Что является объектом, предметом и целью изучения ТАУ?
Объект изучения ТАУ – автоматическая система управления (АСУ).
Предмет изучения ТАУ – процессы, протекающие в АСУ.
Цель изучения ТАУ – учет приобретенных знаний в практической деятельности при проектировании, производстве, монтаже, наладке и эксплуатации АСУ.
Основной метод исследования в ТАУ.
При изучении процессов управления в ТАУ абстрагируются от физических и конструктивных особенностей АСУ и вместо реальных АСУ рассматривают их адекватные математические модели. Поэтому основным методом исследования в ТАУ является математическое моделирование.
Место ТАУ среди других наук.
ТАУ вместе с теорией функционирования элементов систем управления (датчиков, регуляторов, исполнительных механизмов) образует более широкую отрасль науки – автоматику. Автоматика, в свою очередь, является одним из разделов технической кибернетики. Техническая кибернетика изучает сложные автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) и предприятиями (АСУП), построенными с использованием управляющих электронных вычислительных машин.
История ТАУ.
Первые теоретические работы в области автоматического управления появились в конце XIX в., когда в промышленности получили широкое распространение регуляторы паровых машин, инженеры-практики стали сталкиваться с трудностями при проектировании и наладке этих регуляторов. Именно в этот период выполнены ряд исследований, в которых впервые паровая машина и ее регулятор были проанализированы математическими методами как единая динамическая система.
Приблизительно до середины 20-го столетия теория регуляторов паровых машин и котлов развивалась как раздел прикладной механики. Параллельно разрабатывались методы анализа и расчета автоматических устройств в электротехнике. Формирование ТАУ в самостоятельную научную и учебную дисциплину произошло в период с 1940 по 1950 годы. В это время были изданы первые монографии и учебники, в которых автоматические устройства различной физической природы рассматривались едиными методами.
В настоящее время ТАУ наряду с новейшими разделами так называемой общей теории управления (исследование операций, системотехника, теория игр, теория массового обслуживания) играет важную роль в совершенствовании и автоматизации управления производством.
Почему актуально изучение ТАУ?
Автоматизация является одним из главных направлений научно-технического прогресса и важным средством повышения эффективности производства. Современное промышленное производство характеризуется ростом масштабов и усложнением технологических процессов, увеличением единичной мощности отдельных агрегатов и установок, применением интенсивных, высокоскоростных режимов, близких к критическим, повышением требований к качеству продукции, безопасности персонала, сохранности оборудования и окружающей среды.
Экономичное, надежное и безопасное функционирование сложных технических объектов может быть обеспечено с помощью лишь самых совершенных технических средств, разработка, изготовление, монтаж, наладка и эксплуатация которых немыслемы без знания ТАУ.
Современные тенденции в автоматизации производства.
Современными тенденциями в автоматизации производства являются:
- широкое применение ЭВМ для управления;
- создание машин и оборудования со встроенными микропроцессорными средствами измерения, контроля и регулирования;
- переход на децентрализованные (распределенные) структуры управления с микроЭВМ;
- внедрение человеко-машинных систем;
- использование высоконадежных технических средств;
- автоматизированное проектирование систем управления.
1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АСУ
Вы познакомитесь:
· С основными понятиями и определениями.
· Со структурой АСУ.
· С классификацией АСУ.
1.1. Основные понятия и определения
Алгоритм функционирования устройства (системы) – совокупность предписаний, ведущих к правильному выполнению технического процесса в каком-либо устройстве или в совокупности устройств (системе).
Например, электрическая система – совокупность устройств, обеспечивающих единство процессов генерирования, преобразования, передачи, распределения и потребления электрической энергии при обеспечении ряда требований к режимным параметрам (частоте, напряжению, мощности и т.д.). Электрическая система спроектирована таким образом, чтобы при нормальных условиях эксплуатации эти требования выполнялись, то есть правильно выполнялся технический процесс. В данном случае алгоритм функционирования электрической системы реализован в конструкции входящих в ее состав устройств (генераторов, трансформаторов, линий электропередачи и т.д.) и в определенной схеме их соединения.
Однако надлежащему функционированию устройства (системы) могут мешать внешние обстоятельства (воздействия). Например, для электрической системы такими воздействиями могут быть: изменение нагрузки потребителей электрической энергии, изменение конфигурации электрической сети в результате переключений, короткие замыкания, обрывы проводов и т.д. Поэтому на устройство (систему) приходится оказывать специальные воздействия, направленные на компенсацию нежелательных последствий внешних воздействий и выполнение алгоритма функционирования. В связи с этим вводятся следующие понятия:
Объект управления (ОУ) – устройство (система), осуществляющее технический процесс и нуждающееся в специально организованных воздействиях извне для осуществления его алгоритма функционирования.
Объектами управления являются, например, как отдельные устройства электрической системы (турбогенераторы, силовые преобразователи электрической энергии, нагрузки), так и электрическая система в целом.
Алгоритм управления – совокупность предписаний, определяющая характер воздействий извне на объект управления, обеспечивающих его алгоритм функционирования.
Примерами алгоритмов управления являются алгоритмы изменения возбуждения синхронного генератора и расхода пара в их турбинах с целью компенсации нежелательного влияния изменения нагрузки потребителей на уровни напряжения в узловых точках электрической системы и частоту этого напряжения.
Устройство управления (УУ) – устройство, осуществляющее в соответствии с алгоритмом управления воздействие на объект управления.
Примерами устройств управления являются автоматический регулятор возбуждения (АРВ) и автоматический регулятор частоты вращения (АРЧВ) синхронного генератора.
Автоматическая система управления (АСУ) – совокупность взаимодействующих между собой объекта управления и устройства управления.
Таковой, например, является автоматическая система возбуждения синхронного генератора, содержащая взаимодействующие между собой АРВ и собственно синхронный генератор.
На рис. 1.1. приведена обобщенная структурная схема АСУ.
Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема АСУ
В ней:
x (t) – управляемая величина – физическая величина, характеризующая состояние объекта.
Часто объект управления имеет несколько управляемых величин x1(t), x2(t)… xn(t), тогда говорят об n -мерном векторе состояния объекта x(t) с перечисленными выше компонентами. Объект управления в этом случае называют многомерным.
Примерами управляемых величин в электрической системе являются: ток, напряжение, мощность, частота вращения и т.д.
zо(t), zд(t) – соответственно основное (действующее на объект управления ) и дополнительное ( действующее на устройство управления ) возмущающие воздействия.