Основные понятия и определения

Автоматика — отрасль науки и техники, охватывающая совокуп­ность методов и технических средств, освобождающих человека от непосредственного выполнения операций по контролю и управлению производственными процессами и техническими устройствами. Авто­матика — это древнегреческое слово, обозначающее самоусиление, са­модействие, от слов «ауто» — сам и «матос» — усиление.

Кибернетика — наука об общих закономерностях процессов управ­ления в различных системах (в технике, химии, биологии и т. д.).

Техническая кибернетика — наука об общих закономерностях про­цессов управления в различных технических системах.

Автоматизация — замена умственной деятельности человека ра­ботой автоматических устройств.

Технические устройства — совокупность производственных машин и механизмов, выполняющих определенные функции по преобразо­ванию энергии и совершению полезной работы, а также позволяющих в нужном направлении изменять технологический процесс, влияя на его параметры и регулируя их в нужном направлении.

Управление — процесс, обеспечивающий необходимое по целево­му назначению протекание процессов преобразования энергии, веще­ства и информации, поддержание работоспособности и безаварийно­сти функционирования объекта путем сбора и обработки информа­ции о состоянии объекта и внешней среды, выработки решений о воз­действии на объект и их исполнение. Здесь цель является причиной управления, и задающие воздействия определяются на основе знания цели.

Объект управления – техническое средство (машины, аппараты или иные устройства), на которые оказываются организованные воздействия извне для достижения поставленной цели.

Система автоматического управления – совокупность одного или нескольких управляемых объектов и одного или нескольких автоматических управляющих устройств.

Регулирование — частный случай управления, цель которого за­ключается в обеспечении близости текущих значений одной или не­скольких координат объекта управления к их заданным значениям.

Объект регулирования — технологический аппарат, система аппаратов, машина или другое устройство, в котором регулируемый параметр посредством автоматического регулятора поддерживается около заданного значения.

Автоматическое регулирование – процесс поддержания параметров на заданном уровне или изменение их по определенному закону, осуществляемое автоматическим регулятором, независимо от действующих на объект возмущений.

Регулируемые параметры - технологические параметры, которые характеризуют состояние объекта регулирования и в процессе его работы должны соответствовать определенным значениям.

Заданное значение – значение регулируемого параметра, которое следует поддерживать в процессе работы системы автоматического регулирования (САР).

Текущее значение – действительное значение регулируемого параметра в каждый момент времени.

Рассогласование или ошибка – разность между заданным и текущим значениями регулируемой величины.

Воздействия – факторы, оказывающие влияние на состояние объекта регулирования и, следовательно, на значения регулируемых параметров.

Возмущающие воздействия – воздействия, стремящиеся вывести САР из состояния равновесия и действующие произвольно. Задача САР заключается в компенсации влияния возмущающих воздействий на объект регулирования, что достигается целенаправленным изменением регулирующих воздействий.

Задающее воздействие – воздействие, приложенное к регулирующему устройству от задатчика.

Параметр, характеризующий состояние системы или элемента, называется выходной величиной, а место ее проявления – выходом.

Параметр, характеризующий причину изменения выходной величины, принято называть входной величиной, а место ее приложения – входом.

Управляющее воздействие — воздействие на объект управления, предназначенное для достижения цели управления.

Устройство управления (УУ) или регулятор — совокупность уст­ройств, с помощью которых осуществляется управление главным тех­нологическим параметром (физической величиной).

Регулятор или УУ в САУ воздействует на объект управления (ОУ) и обозначается в функциональных схемах в виде, представленном на рис. 1.1.

УУ

g(t) y_р(t) к объекту управления

 

y_ос (t)

 

Рис.1.1. Схема взаимодействия УУ и ОУ

На рисунке: g(t) – задающее воздействие, y_р(t) – регулирующее воздействие, y_ос(t) – сигнал обратной связи.

Помехи — возмущения, вызывающие искажение сигналов в САУ, обычно незначительно влияющие на регулируемую величину и труд­нодоступные для измерения.

С А У разомкнутые и замкнутые. Разомкнутые САУ — это систе­мы, в которых заданное значение выходной величины ОУ достигает­ся при помощи регулирующего (исполнительного) органа, устанавли­ваемого в определенное положение; при этом значение выходной ве­личины ОУ может существенно отклоняться от его заданного значе­ния в силу влияния внешних параметров окружающей среды, а также изменения внутренних свойств ОУ, параметров САУ. Вследствие это­го возникает необходимость автоматического поддержания выходной величины на заданном уровне; эта задача решается с помощью замк­нутой САУ. В случаях, когда не требуется высокая точность поддер­жания заданного значения выходной величины САУ y(t), замкнутая система может применяться с использованием человека-оператора.

В замкнутой САУ так же, как и в разомкнутой системе, произво­дится измерение текущего значения y(t). Однако здесь заданное зна­чение сравнивается с текущим значением y(t), поступающим через эле­мент обратной связи (ЭОС) на специальный элемент сравнения (ЭС), который вырабатывает сигнал ошибки САУ; последний обычно уси­ливается в САУ до значения, достаточного для управления исполни­тельным механизмом (ИМ), приводящим в движение регулирующий орган ОУ. Следовательно, замкнутая САУ — это система с обратной связью.

Обратная связь в САУ — зависимость y(t) от текущих воздействий на ОУ и от его состояния, обусловленного предшествующими воздей­ствиями на объект. Обратная связь может быть естественной (прису­щей объекту) или искусственно организуемой. При этом различают отрицательную обратную связь (ООС) и положительную обратную связь (ПОС) как обратные связи, действующие в первом случае в сто­рону уменьшения, а во втором — в сторону увеличения отклонений текущих значений координат объекта от их предшествующих значе­ний. Следовательно, ООС позволяет строить наиболее точные САУ, так как несет в себе информацию обо всех изменениях регулируемой величины; ПОС служит для изменения внутренних свойств отдельных звеньев САУ.

 

1.2. Блок – схема замкнутой системы

Системы автоматического регулирования являются системами направленного действия, т.е. они обладают детектирующим свойством (направление действия всегда от входа к выходу).

 

Рис.1.2. Блок – схема замкнутой САР

Всякая замкнутая САР (рис.1.2) состоит из следующих элементов

ЗЭ — задающий элемент; служит для задания определенного за­кона (алгоритма) управления выходной величины; обычно это по­тенциометры, кулачки, магнитные ленты, проволока, нивелир, луч света и т. п.;

ЭГОС — элемент главной обратной связи (чувствительный эле­мент, первичный преобразователь — датчик); служит для измерения текущего значения регулируемой величины y{t) и преобразования ее в другого рода y_oc(t), удобную для технической реализации схемы;

ЭС— элемент сравнения; служит для вы­явления разницы между заданным и текущим значениями регули­руемой величины и формирует полезный сигнал (сигнал ошибки (рассогласования);

ППЭ — последовательный преобразующий элемент; служит для преобразования сигнала, поступающего с элемента сравнения, в та­кой сигнал, который позволяет УУ (регулятору) придать системе же­лаемые динамические свойства;

УЭ — усилительный элемент; служит для усиления поступающего сигнала до значения, достаточного для приведения в действие испол­нительного элемента — ИЭ (механизма);

ИЭ — исполнительный элемент; служит для перемещения регули­рующего органа в направлении компенсации сигнала рассогла­сования, преобразованного УУ (регулятором);

РО — рабочий (регулирующий) орган;

Объект управления (ОУ) — техническое устройство, преобразую­щее один вид энергии в другой и совершающее полезную работу.

f(t) – возмущающее воздействие, действующее на ОУ; Q – поток энергии или вещества, подаваемый на объект управления.

Кроме указанных на схеме элементов, в состав системы могут входить местные обратные связи, охватывающие отдельные элементы системы, измерители возмущающих воздействий и т.д.

Следует отметить, что возмущающих воздействий, оказывающих влияние на систему управления, может быть множество. Они могут действовать в различных местах системы управления. Однако, учитывая, что в линейных системах управления реакцию системы на ряд воздействий можно определять как сумму реакций на каждое воздействие (принцип суперпозиции), можно для анализа системы использовать одно эквивалентное воздействие, эффект которого равен суммарному эффекту всех воздействий.