Основные понятия и определения

Техническое устройство, рабочий процесс которого подлежит управлению, называется объектом управления (ОУ). Любое транспортное средство (самолет, машина, пароход и т.д.) является объектом управления. В этом случае рабочий процесс – это перемещение такого аппарата, а управление перемещением сводится к управлению скоростью движения, положением в пространстве и т.д.

К объектам управления относятся также любые технологические агрегаты, в которых протекают тепловые процессы, химические реакции, происходит смешение компонентов или разделение на фракции и т.д.

В одном случае рабочий процесс совершается объектом, в другом - в объекте.

Управление может осуществляться как оператором (ручное производство), так и с помощью технических устройств, без участия человека (автоматическое управление).

Ручное управление – совокупность решений и действий оператора, направленных на осуществление желаемого протекания рабочего процесса объекта управления.

Автоматическое управление – совокупность операций, реализуемых техническими устройствами, направленная на осуществление желаемого протекания рабочего процесса объекта управления. Такие технические устройства составляют автоматическое управляющее устройство (АУУ), выполняющее функции оператора при замене ручного управления на автоматическое. К числу этих устройств относятся чувствительный элемент (ЧЭ), преобразователь (Пр), задающее устройство (ЗУ), сравнивающее устройство (СУ), регулятор (Рег), исполнительный механизм (ИМ) и регулирующий орган (РО) (рис.5.1).

Чувствительный элемент – устройство воспринимающее изменение физической величины (У), характеризующей процесс, и преобразующее ее, в общем случае, в другую физическую величину, часто электрическую, которая поступает на преобразователь.

Преобразователь – устройство, преобразующее полученную с ЧЭ величину в другую физическую величину, например, механическую в электрическую, удобную для передачи и сравнения с сигналом, сформированным задающим устройством.

Чувствительный элемент и преобразователь составляют вместе устройство, называемое датчиком.

Задающее устройство – элемент АСР, с помощью которого оператор «дает» системе задание (g(t)) изменять регулируемую величину ОУ по какому-либо закону или случайным образом или поддерживать ее определенное значение.

Сравнивающее устройство - элемент системы, сопоставляющий сведения о действительном значении регулируемой величины и ее заданным значением.

Результатом работы СУ является разность указанных сигналов, называемая рассогласованием (Е). Величина рассогласования соответствует величине ошибки регулирования (Х), которая представляет собой разницу между действительным и требуемым значениями регулируемой величины.

Регулятор – устройство, реализующее закон регулирования, т.е. устройство, реализующее совокупность операций по переработке информации о рабочем процессе для приведения в действие исполнительного механизма, воздействующего на регулирующий орган с целью получения требуемого протекания рабочего процесса.

Исполнительный механизм служит для изменения состояния регулирующего органа по сигналам (V) регулятора.

Регулирующий орган - элемент системы, действия которого оказывают непосредственное влияние на рабочий процесс, иначе говоря, на регулируемую величину.

Рассмотренные элементы (рис.5.1) в общем случае являются обязательными при создании любой АСР. Однако в частных случаях они могут отсутствовать как самостоятельные устройства. При этом функции нескольких таких устройств может выполнять один элемент.

На рис. 5.1 пунктирными линиями показаны регулируемая величина рабочего процесса (У), ее требуемое значение (У_треб) и ошибка регулирования (Х). Это величины, понятные оператору, но не понятные системе. Система оперирует с сигналом рассогласования имеющем природу, например, электрического сигнала, соответствующим ошибке регулирования Х.

Идеальная система

y_треб(t) X

F_пит(t) F_нагр(t)

Регулирующий орган

Исполнительный механизм

Регулятор

Задающее устройство

Объект регулирования

g(t) (t) v(t) u(t) y (t)

y_треб(t)

-

-

y_ос(t)

Преобразователь

Чувствительный элемент

Датчик

Рис.5.1 Блок –схема одноконтурной автоматической системы регулирования

Здесь y_треб(t) –требуемое значение регулируемой величины, задаваемое оператором;

y (t) - действительное значение регулируемой величины;

Х – ошибка регулирования, Х(t) = y_треб(t) - y (t);

– сигнал рассогласования^, (t)= g(t) - yос(t), где y_ос(t) - сигнал отрицательной обратной связи;

g(t)-задающее воздействие; u(t) – управляющее воздействие; v(t) – сигнал с регулятора;

F_пит(t) –возмущение по питанию; F_нагр(t) – возмущение по нагрузке.

Рабочий процесс характеризуется определенными свойствами, интересующими потребителя. При этом несущественные свойства не принимаются во внимание, от них абстрагируются.

В случае систем автоматического управления каждый элемент рассматривается с точки зрения его назначения. При этом существенными считаются те свойства, которые определяют собой поведение элемента (системы) и характеризуют его состояние. Таким образом, под состоянием системы в некоторый момент времени понимается множество существенных свойств ее элементов и системы в целом, которыми она обладает в процессе функционирования.

Состояние системы характеризуется так называемыми параметрами состояния.

Свойства систем и их элементов характеризуются параметрами состояния процессов и параметрами состояния элементов (системы).

Параметры состояния процессов - это физические величины, описывающие процессы (давление, температура, концентрация, электрический ток, напряжение, плотность, массовый расход и т.п.).

Параметры состояния элементов (системы) - это физические величины, характеризующие количества вещества в системе (в элементах системы). Такими являются, например, объем, масса, момент инерции, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и т.п.

В реальных условиях работа системы может нарушаться либо из-за изменения ее собственных свойств, например в результате старения элементов, либо из-за внешних причин (окружения систем), называемых возмущающими воздействиями (F(t)). К таким внешним причинам относятся изменения питания системы F_пит(t) и изменение ее нагрузки Fнагр(t).

Поясним введенные понятия.

Возмущающие воздействия по питанию F_пит(t).

Для того чтобы управлять, приходится использовать дополнительные источники энергии, необходимые для работы регулятора, исполнительного механизма и т.п. Возможные колебания энергии, отдаваемой такими источниками, связаны обычно с тем, что они одновременно снабжают энергией и других потребителей. Так, например, в обыденной жизни приходится встречаться с тем, что напряжение в электрической сети, как и давление воды в трубопроводе, колеблется в различное время суток. Подобные колебания сказываются на работе элементов, а, следовательно, и самой системы.

Возмущающие воздействия по нагрузке F_нагр(t).

Под нагрузкой следует понимать потребителя результатов рабочего процесса системы. Пусть объект управления, например, двигатель постоянного тока, вращает нагрузку – шпиндель станка с закрепленной в нем деталью. При изменении глубины резания момент сопротивления резанию меняется, что приводит к изменению числа оборотов двигателя. По отношению к АСР изменение момента сопротивления резанию – это внешнее возмущающее воздействие. Оно относится к возмущениям по нагрузке.

Итак, все материальные тела и источники энергии, находящиеся вне рассматриваемой системы, принято называть окружением или внешней средой. Для того чтобы определить конкретные физические свойства окружения, вводится понятие состояния окружения. Под состоянием окружения в некоторый момент времени понимается множество существенных свойств окружения в этот момент. Охарактеризовать свойства окружения - значит определить те физические величины, которые характеризуют возмущающие воздействия. В рассмотренных примерах это изменение питающего напряжения в вольтах, изменение момента сопротивления резанию в кг·м.

Рассмотренные виды влияния окружения на ведение рабочих процессов - это постоянные источники нежелательных отклонений регулируемых величин систем от их требуемых значений. Устранять возникающие по их вине эти отклонения регулируемых величин, не допускать того, чтобы ошибка регулирования выходила за допустимые пределы - одна из задач любой системы.

Другая задача – добиваться соответствия регулируемой величины ее требуемому значению, задаваемому оператором, с ошибкой, не более заданной.

Иными словами можно сказать, что работая, любая система приспосабливается (адаптируется) к изменяющимся условиям окружения, решая поставленную перед ней оператором задачу.

Вопросы для самоконтроля

Какие основные элементы АСР известны и каковы их функции?

Какие основные сигналы действуют на АСР?

Что понимается под состоянием системы и окружения и какими параметрами они характеризуются?