Введение. Основные понятия

Введение. Основные понятия.
План:

1. 
   Предмет теории автоматического управления
   
2. 
   Понятие системы управления. Сущность автоматического управления.
   
3. 
   Понятие автоматического регулирования.
   

Предмет теории автоматического управления
Совершенствование технологии и повышение производительности работы во всех отраслях промышленности возможно только при широкой автоматизации, то есть при внедрении систем автоматического управления (САУ) как отдельными объектами, так и производством в целом. Учитывая широкое распространения электропривода во многих отраслях промышленности, для качественного управления электроприводами различных производственных механизмов необходимо знание основ курса «Теория автоматического управления» (ТАУ), который является одним из базовых для студентов, обучающихся по направлению «Электромеханика».
Цель курса – дать будущим специалистам-электромеханикам знания, связанные с обеспечением автоматизации управления электромеханическими объектами и их силовой основой – автоматизированным электроприводом.
В результате изучения курса студент должен знать основы теории построения замкнутых САУ, основные методы их анализа и синтеза, а также уметь использовать эти знания применительно к реальным электромеханическим системам.
Понятие системы управления. Сущность автоматического управления.
Совокупность элементов любой физической природы и процессы, наблюдаемые в них, обладающие свойствами целеустремленности, называется системой. Наличие цели управления (целеустремленности) является фундаментальным признаком системы. Цели природных систем чаще всего неизвестны, но цели искусственных систем известны всегда. Примеры систем: Солнечная система (с ее стабилизацией орбит и излучением энергии), капиталистическая и социалистическая системы организации общества, системы стабилизации определенного параметра (давления, температуры, скорости и др.) в разных отраслях промышленности.
Всякий процесс управления подразумевает наличие объекта управления (управляемой системы) и управляющей им системы. Управляемая и управляющая системы, находящиеся во взаимодействии друг с другом, образуют систему управления (рис.1.1). Поведение всякой системы управления определяется целью управления, внешними условиями (окружающей обстановкой) и внутренними условиями (свойствами управляемой системы и объекта управления).

Система управления называется автоматической, если основные функции управления, необходимые в процессе работы системы для достижения цели управления, осуществляются в ней без непосредственного участия человека. В случае, если участие человека проявляется лишь в формировании управляющего воздействия, система управления называется полуавтоматической. Основная задача курса ТАУ заключается в анализе и синтезе целенаправленного управления объектами управления нормальной сложности.
Всякое улучшение поведения системы называется коррекцией, а, учитывая то, что в хорошей системе должны действовать хорошие управления, под коррекцией можно понимать и улучшение управлений.
Использование принципа компенсации возмущений предполагает, что возмущение f(t) достаточно просто и недорого можно измерить с помощью соответствующих датчиков¹. САР в этом случае (рис.1.5), помимо основного канала доставки к ОУ управляющего воздействия, содержит канал компенсации возмущения с датчиком ДВ, измеряющим возмущение, и преобразующим устройством ПУВ, причем последнее, как правило, реализуется в составе корректирующего устройства КУ.

Кроме того, КУ содержит задающее устройство ЗУ, узел сравнения УС и регулятор Р, обычно в этом случае представляющий собой усиливающий элемент. Параметры ПУВ для эффективной компенсации возмущения f(t) выбираются таким образом, чтобы составляющая u(t) управляющего воздействия u(t), обусловленная действием канала компенсации возмущения, обеспечивала нейтрализацию возмущения f(t) в точке его приложения.
Следует отметить, что использование сумматора (УС) в составе КУ справедливо тогда, когда приложение возмущения в математической модели объекта управления ОУ может быть описано путем его алгебраического сложения с каким-либо сигналом, непосредственно находящимся в канале управления, и участвующего в формировании выходного сигнала. В других случаях (например, при нелинейной модели узла приложения возмущения в ОУ) в составе КУ вместо УС должен использоваться соответствующий подходящий элемент (блок перемножения, блок деления и т.д.), причем рассмотренный принцип компенсации возмущения остается полностью справедливым.
Данный принцип организации управления становится неэффективным, когда имеет место большое число возмущений и канал компенсации становится дорогим, а также в случаях, когда возмущение не удается достаточно точно измерить. Применительно к электроприводу к числу возмущений, для нейтрализации действия которых используется указанный принцип, относятся противо-ЭДС электродвигателя, а также статический момент, приложенный к валу двигателя и обусловленный наличием нагрузки.
3. Принцип управления по замкнутому контуру (принцип отрицательной обратной связи или принцип компенсации отклонений регулируемой величины) состоит в сравнении требуемого изменения регулируемой переменной, определяемого управляющим воздействием, с действительным ее изменением (рис.1.6). В этом случае корректирующее устройство КУ называют автоматическим регулятором (АР), который структурно включает задающее устройство ЗУ, обеспечивающего требуемый закон изменения заданного значения x_З(t) регулируемой величины x(t) (управляющего воздействия), датчик регулятора (или просто датчик) Д с коэффициентом передачи k_Д, предназначенный для измерения регулируемой величины, регулятор Р, предназначенный для выработки управляющего воздействия y(t), и устройство сравнения УС, обеспечивающее выработку сигнала
(t)= x_З(t) – x(t),
равного сигналу ошибки регулирования величины x(t)¹.

При наличии ПУ автоматический регулятор называется регулятором непрямого действия, при отсутствии ПУ – регулятором прямого действия [1].
По сути, функциональным назначением устройства сравнения УС здесь, а также в схеме рис.1.5, является алгебраическое суммирование входных сигналов, поэтому его еще часто называют сумматор. В схемах при наличии УС обозначение входных линий "+" для упрощения может опускаться.
Иногда используется также старое обозначение сумматоров:
Входы, на которые сигнал подается со знаком "–", заштриховываются.
Организация управления по этому принципу является эффективным методом борьбы с возмущениями, а также существенно снижает чувствительность САР к изменению ее параметров. Примерами такой САР являются одноконтурные системы управления скоростью электродвигателей (рис.1.7).

При ограничении выходного сигнала регулятора характер изменения величин x_З(t) и x(t) имеет вид, показанный на рис.1.8а (положено, что k_Д=1).