Введение в информационные технологии управления (стр. 2 из 5)
Поэтому для получения информации о результатах управления необходимо использовать специальные технические устройства (датчики, измерительные приборы и др.).
Большие скорости протекания управляемых процессов требуют соответственной скорости обработки информации и принятия управляющих решений. Исполнение принятого решения часто требует большой скорости его выполнения и быстродействующих средств обработки информации.
Если элементы процесса управления осуществляются специально созданным техническим устройством, без непосредственного участия человека, то такое управление называется автоматическим.
Автоматически действующее устройство, предназначенное для реализации процесса управления, называется автоматическим управляющим устройством.
В литературе для краткости часто для обозначения автоматических управляющих устройств используются термины «управляющее устройство» и «регулятор».
Когда управление осуществляется совместными действиями технических устройств и человека, то такое управление называют автоматизированным. В этих случаях технические устройства «решают» алгоритмически определенные задачи управления, а также обеспечивают информацией человека, который решает более сложные неформализуемые (нестандартные) задачи управления.
Разновидностью управления является регулирование. Дадим более полные определения понятиям «автоматическое регулирование» и «автоматическое управление».
Автоматическим регулированиемназывается поддержание постоянной или изменение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс.
Автоматическим управлениемназывается автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.
Совокупность объекта управления и управляющего устройства (регулятора) называется системой автоматического управления(регулирования).
Любой процесс управления – это процесс переработки информации. Формой представления информации является сообщение (текст, цифровые данные, графики). Сообщение отображается сигналом, которым является некоторая изменяющаяся физическая величина любой природы, например электрическая, механическая, оптическая и др.
Объект автоматического управления
Объектом управленияможет быть машина, аппарат, установка, комплекс машин или аппаратов, цех или предприятие. В системах управления часто объектами управления являются системы автоматического регулирования.
Состояние объекта или системы характеризуется совокупностью переменных величин – параметров состояния (переменных состояния).
Переменные, характеризующие состояние объекта управления, по которым ведется управление, называются управляемыми переменными. Их также называют выходными переменнымиили выходом.
Величины, характеризующие внешнее влияние на объект, называются входными воздействиямиили входными сигналами (входом). Воздействия на объект, вырабатываемые управляющим устройством, называют управляющими воздействиями.
Внешнее воздействие, определяющее требуемый закон изменения управляемой величины, называется задающим воздействием. Это воздействие поступает от специального задающего устройства (элемента).
Воздействия на объект, не зависящие от системы управления, называются возмущающими воздействиями (возмущениями). Различают два вида возмущающих воздействий:
· нагрузка;
· помехи.
Нагрузкойявляется внешнее воздействие, приложенное к управляемому объекту, не зависящее от управляющего устройства и являющееся причиной изменения режима работы объекта.
Помехи – это внешние воздействия на отдельные элементы управляющего устройства или объекта управления, не содержащие информации, необходимой для управления. Помехамиявляются ошибки измерительных приборов, сбой в электронных машинах и другие нежелательные явления.
Реальные сигналы в системе управления всегда являются смесью полезного сигнала и помехи.
На рис. 1.2 схематически показаны переменные, характеризующие воздействия и состояние объекта управления.
Здесь:
– совокупность управляемых (выходных) переменных обозначена вектором
- совокупность управляющих воздействий – вектором
- задающих воздействий вектором –
- возмущающих воздействий – вектором
.Совокупность переменных, характеризующая состояние объекта управления, обозначим вектором
.Если считать, чтов системе осуществляется управление всеми координатами состояния объекта, то векторы хи усовпадают.В общем случае вектор уявляется нелинейной векторной функцией управляющих переменных и внешних воздействий:
(1)Координаты векторов ии уназывают соответственно управляющимии управляемыми координатами.
Если объект управления характеризуется одной управляющей и одной управляемой величиной, т.е. векторы уи иимеют по одной координате, то объект называется простым, одномернымили односвязным.
Если векторы уи иимеют несколько координат, то объект называется многомерным.
При наличии нескольких взаимно связанных координат векторов
уи и – объект называют многосвязным.
Правило или функциональная зависимость, в соответствии с которой управляющее устройство формирует управляющее воздействие
называется закономили алгоритмом управления.В общем случае эта зависимость может быть записана так:
(2)где F– некоторая, в общем случае нелинейная векторная функция от управляемых переменныху, задающих воздействийgи возмущающих воздействийf.
Каждый объект управления может рассматриваться в условиях статики и динамики.
В условиях статики компоненты векторов уи иявляются постоянными величинами.
При изучении динамики объекта исследуется зависимость компонент вектора уот времени, т.е.
.Параметры объекта могут быть сосредоточенными(постоянными по всем геометрическим координатам) и распределенными(переменными хотя бы по одной координате). Естественно, в первом случае используются обыкновенные дифференциальные уравнения, во втором – дифференциальные уравнения в частных производных (аргументы – время и, по крайней мере, одна геометрическая координата).
Для систем, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями, можно написать
i =1, 2, …, n. (3)Для решения этой системы уравнений должны быть заданы начальные условия.
Если система уравнений (3) может быть сведена к системе линейных дифференциальных уравнений, то объект называется линейным. При описании объекта системой нелинейных дифференциальных уравнений его относят к нелинейным.
При изучении статики определяют характер зависимости управляемых координат уот управляющего воздействия и, называемой статической характеристикой объекта.
Объект управления может быть устойчивым, неустойчивым и нейтральным.
Объект устойчив, если после кратковременного внешнего воздействия он с течением времени возвратится к исходному состоянию или состоянию, близкому к нему.
Различают устойчивость «в малом» и устойчивость «в большом». Некоторые нелинейные объекты могут быть устойчивы «в малом», т.е. при воздействиях, не превышающих определенные пределы, и неустойчивы «в большом», т.е. при воздействиях, больших некоторой величины.
Координата уiв устойчивомобъекте возвращается в исходное состояние после воздействия Du продолжительностью Dt.
В неустойчивомобъекте после окончания воздействия отклонение от начальной величины управляемой координаты продолжает увеличиваться.
Нейтральнымиобъектами являются такие объекты, в которых по окончании воздействия устанавливается новое состояние равновесия, которое зависит от произведенного воздействия.
Механической аналогией здесь является шарик. В лунке его положение устойчиво, на вершине холма – неустойчиво, а на плоскостион в любом месте находится в равновесии.
Принципы автоматического управления
Системы управления разделяются на замкнутые и разомкнутые.
В разомкнутойсистеме управляющее воздействие вырабатывается на основе информации о величине возмущающих воздействий, характеристиках объекта и цели управления. В таких системах управляющее устройство не получает информации о результатах управления. Такое управление называют жестким.