УТС_Раздел_1 (Лекционный курс)

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

1.1. Цели, принципы управления, виды систем управления, основные определения, примеры

Развитие и совершенствование промышленного производства (энергетики, транспорта, машиностроения, космической техники и т.д.) требует непрерывного увеличения производительности машин и агрегатов, повышения качества продукции, снижения себестоимости и, особенно в атомной энергетике, резкого повышения безопасности (ядерной, радиационной и т.д.) эксплуатации АЭС и ядерных установок.

Реализация поставленных целей (см. выше) не возможна без внедрения современных систем управления, включая как автоматизированных (с участием человека-оператора), так и автоматических (без участия человека-оператора) систем управления (СУ-аббревиатура).

Определение: Управление - это такая организация того или иного технологического процесса, которая обеспечивает достижение поставленной цели.

Теория управления является разделом современной науки и техники. Она базируется (основывается) как на фундаментальных (общенаучных) дисциплинах (например, математика, физика, химия и т.д.), так и на прикладных дисциплинах (электроника, микропроцессорная техника, программирование и т.д.).

Любой процесс управления (автоматического) состоит из следующих основных этапов (элементов):

• получение информации о задаче управления;

• получение информации о результате управления;

• анализ получаемой информации;

• выполнение решения (воздействие на объект управления).

Для реализации Процесса Управления система управления (СУ) должна иметь:

• источники информации о задаче управления;

• источники информации о результатах управления (различные датчики, измерительные устройства, детекторы и т.д.);

• устройства для анализа получаемой информации и выработки решения;

• исполнительные устройства, воздействующие на Объект Управления, содержащие: регулятор, двигатели, усилительно-преобразующие устройства и т.д.

Определение: Если система управления (СУ) содержит все перечисленные выше части, то она является замкнутой.

Определение: Управления техническим объектом с использованием информации о результатах управления называется принципом обратной связи.

Схематично такая система управления может быть представлена в виде:

Рис. 1.1 - Структура системы управления (СУ)

Если система управления (СУ) имеет структурную схему, вид которой соответствует рис. 1.1, и функционирует (работает) без участия человека (оператора), то она называется системой автоматического управления (САУ).

Если СУ функционирует с участием человека (оператора), то она называется автоматизированной СУ.

Если Управление, обеспечивает заданный закон изменения объекта во времени независимо от результатов управления, то такое управление совершается по разомкнутому циклу, а само управление называется программным управлением.

К системам, работающим по разомкнутому циклу, относятся промышленные автоматы (конвейерные линии, роторные линии и т.д.), станки с числовым программным управлением (ЧПУ): см. пример 

Рис.1.2 - Пример программного управления

Задающее устройство может быть, например, и “копиром”.

Поскольку в данном примере нет датчиков (измерителей), контролирующих изготавливаемую деталь, то если, например, резец был установлен неправильно или сломался, то поставленная цель (изготовление детали) не может быть достигнута (реализована). Обычно в системах подобного типа необходим выходной контроль, который будет только фиксировать отклонение размеров и формы детали от желаемой.

Автоматические системы управления подразделяются на 3 типа:

• системы автоматического управления (САУ);

• системы автоматического регулирования (САР);

• следящие системы (СС).

САР и СС являются подмножествами САУ  {САР}{САУ}; {СC}{САУ}.

Определение: Автоматическая система управления, обеспечивающая постоянство какой-либо физической величины (группы величин) в объекте управления называется системой автоматического регулирования (САР).

Системы автоматического управления (САР) - наиболее распространенный тип систем автоматического управления.

Первый в мире автоматический регулятор (18-е столетие) - регулятор Уатта. Данная схема (см. рис. 1.3) реализована Уаттом в Англии для поддержания постоянной скорости вращения колеса паровой машины и, соответственно, для поддержания постоянства скорости вращения (движения) шкива (ремня) трансмиссии.

В данной схеме чувствительными элементами (измерительными датчиками) являются “грузы” (сферы). «Грузы» (сферы) также “заставляют” перемещаться коромысло и затем задвижку. Поэтому данную систему можно отнести к системе прямого регулирования, а регулятор - к регулятору прямого действия, так как он одновременно выполняет функции и “измерителя” и “регулятора”.

В регуляторах прямого действия дополнительного источника энергии для перемещения регулирующего органа не требуется.

Рис. 1.3 - Схема автоматического регулятора Уатта

В системах непрямого регулирования необходимо присутствие (наличие) усилителя (например, мощности), дополнительного исполнительного механизма, содержащего, например, электродвигатель, серводвигатель, гидропривод и т.д.

Примером САУ (системы автоматического управления), в полном смысле этого определения, может служить система управления, обеспечивающая вывод ракеты на орбиту, где управляемой величиной может быть, например, угол между осью ракеты и нормалью к Земле  см. рис. 1.4.а и рис. 1.4.б 

ПРИМЕР СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ – ЗАПУСК РАКЕТЫ

Рис.1.4.а Рис.1.4.б

Примером СС (следящей системы) может служить радиолокационная система слежения за движением “неизвестного” самолета, поскольку “маневры” самолета заранее неизвестны, поэтому и закон перемещения антенны во времени заранее неизвестен.

1.2. Структура систем управления: простые и многомерные системы

В теории Управления Техническими Системами используют 2 основных способа представления систем управления:

- в переменных “вход-выход”;

- в переменных состояния (более подробно см. лекцию  № 6…7).

Представление в переменных “вход-выход” обычно используется для описания относительно простых систем, имеющих один “вход” (одно управляющее воздействие) и один “выход” (одна регулируемая величина). 

Рис. 1.5 – Схематическое представление простой системы управления

Обычно такое описание используется для технически несложных САУ (систем автоматического управления).

В последнее время широкое распространение имеет представление в переменных состояния, особенно для технически сложных систем, в том числе и для многомерных САУ. На рис. 1.6 приведено схематичное представление многомерной системы автоматического управления, где u1(t)…um(t) - управляющие воздействия (вектор управления), y1(t)…yp(t) - регулируемые параметры САУ (вектор выхода).

Рис. 1.6 - Схематическое представление многомерной системы управления

Рассмотрим более детально структуру САУ, представленную в переменных “вход-выход” и имеющую один вход (входное или задающее, или управляющее воздействие) и один выход (выходное воздействие или управляемая (или регулируемая) переменная).

Предположим, что структурная схема такой САУ состоит из некоторого числа элементов (звеньев). Группируя звенья по функциональному принципу (что звенья делают), структурную схему САУ можно привести к следующему типовому виду:

Рис.1.7 - Структурная схема системы автоматического управления

Символом (t) или переменной (t) обозначается рассогласование (ошибка) на выходе сравнивающего устройства, которое может “работать” в режиме как простых сравнительных арифметических операций (чаще всего вычитание, реже сложение), так и более сложных сравнительных операций (процедур).

Так как , где - коэффициент усиления, то 

Задача системы управления состоит в том (если она устойчива), чтобы “работать” на уничтожение рассогласования (ошибки) (t), т.е.  (t)  0.

Следует отметить, что на систему управления действуют как внешние воздействия (управляющее, возмущающее, помехи), так и внутренние помехи. Помеха отличается от воздействия стохастичностью (случайностью) своего существования, тогда как воздействие почти всегда детерминировано.

Для обозначения управляющего (задающего воздействие) будем использовать либо x(t), либо u(t).

Если сравнивающее устройство “работает” в режиме простого вычитания, то блок эквивалентен , а если в режиме простого сложения, то эквивалентен .

1.3. Основные законы управления

Если вернуться к последнему рисунку (структурная схема САУ на рис. 1.7), то необходимо “расшифровать” роль, которую играет усилительно-преобразующее устройство (какие функции выполняет). 

Если усилительно-преобразующее устройство (УПУ) выполняет только усиление (или ослабление) сигнала рассогласования (t)  , где а – коэффициент пропорциональности (в частном случае а = Const), то такой режим управления замкнутой САУ называется режимом пропорционального управления (П-управление).

Если УПУ выполняет формирование выходного сигнала ₁(t), пропорционального ошибке (t) и интегралу от (t), т.е. , то такой режим управления называется пропорционально-инегрирующим (ПИ-управление).  , где b – коэффициент пропорциональности (в частном случае b = Const).