Лекция 1 - Основныепринципыуправления (PDF-лекции)

Лекция 1. Основные понятия и принципы управления1.1 Исходные положенияПроцесс управления происходит в живой и неживой природе: в живых организмах,обществе, технике и т.д. Естественный отбор, благодаря которому одни особи исчезают,другие выживают и воспроизводятся, также является своего рода процессом управления,протекающим в природе.Общим для всех процессов управления, где бы они ни протекали, является прием(получение), хранение, преобразование информации и выработка (организация) на ее основе управления. Осознание этой общности послужило предпосылкой к возникновению вконце сороковых годов XX века научного направления, названного его основателем Н.Винером кибернетикой.

Хотя управление человеческим коллективом, экономикой, с одной стороны, и техническими объектами — с другой, имеет много общего, но коренныеразличия, которые существуют между этими объектами, делают необходимым их раздельное рассмотрение.В теории (автоматического) управления рассматриваются методы исследования ипостроения систем управления в технике.Первые системы автоматического регулирования, основанные на принципе отрицательной обратной связи, появились в конце 18-го века. К ним можно отнести, например,систему регулирования уровня воды в паровом котле (изобретатель И.И. Ползунов, 1765)и систему стабилизации частоты вращения вала паровой машины при помощи центробежного регулятора (Д. Уатт, 1768).

Большой вклад в развитие теории автоматическогорегулирования внесли отечественные ученые И.А. Вышнеградский, Н. Е. Жуковский,профессор Императорского технического училища, А.М. Ляпунов.В технике управлением называют целенаправленное воздействие на какое-либоустройство, объект.

Если управление осуществляет человек, то управление называют ручным, неавтоматическим.Управление называют автоматическим, если оно осуществляется без непосредственного участия человека.Устройство (машина, агрегат, технологический процесс), состоянием которогоможно и нужно управлять, называется объектом управления (ОУ) или управляемым объектом.

Целью управления управляемым объектом является поддержание заданного режима. Под заданным режимом понимают изменение какого-либо параметра, характеризующего состояние объекта управления, по определенному закону. Указанный параметр,который может быть векторной величиной, называется управляемой или выходной переменной (величиной) объекта управления. В частном случае заданным режимом можетбыть поддержание выходной переменной неизменной и равной некоторой заданной величине.Часть объекта управления, на которую оказывают воздействие при управлении, называют управляющим (регулирующим) органом.Простым примером объекта управления является резервуар с жидкостью (рис. 1.1), в которомнужно поддерживать жидкость на заданном уровне.Управляемой переменной является уровень h, регулирующим органом – вентиль на входной трубе А.Устройство, осуществляющее управлениеуправляемым объектом, называется управляющимустройством (УУ).Объект управления с взаимодействующим сним управляющим устройством называют системойуправления.

Если система управления функционируетРис. 1.1.с участием человека, то она называется автоматизи1рованной системой управления (АСУ). Если система управления функционирует без непосредственного участия человека, то она называется автоматической системой управления или системой автоматического управления (САУ).В простейших случаях систему автоматического управления называют системойавтоматического регулирования (САР), управляющее устройство – регулятором, а объектуправления – объектом регулирования или регулируемым объектом.

Так как нет критериев, по которым можно было бы судить, какие системы управления считать сложными, акакие простыми, мы не будем делать принципиальных различий между терминами «система автоматического управления» и «система автоматического регулирования».Однако следует различать теорию автоматического регулирования (ТАР) и теориюавтоматического управления (ТАУ). ТАР изучает системы регулирования, осуществляющие лишь "отработку" входных воздействий, в предмет ТАР не входят вопросы формирования этих воздействий.

Объектом ТАУ являются САУ, функциональное значение которых заключается как в формировании управляющих воздействий на основе некоторых алгоритмов и цели управления, так и в "отработке" этих воздействий на требуемом уровневыходной мощности и с необходимой точностью.Блок-схему системы (автоматического)управления в общем случае можно представитьтак, как на рис. 1.2. Выходная переменная объекта управления y является выходной (управляемой) переменной системы управления.Канал связи, по которому информация отекущем состоянии объекта управления (ОУ) поРис.

1.2. Общая блок-схема САУступает в управляющее устройство (УУ), называется обратной связью.Внешнее воздействие g, которое определяет требуемый (заданный) закон изменения выходной переменной, называется задающим воздействием. Здесь, как это часто делают, задающее воздействие выведено за пределы управляющего устройства, в то времякак управляющее воздействие вырабатывается задатчиком, входящим в состав УУ.Как правило, на объект управления действует возмущение f, которое приводит котклонению управляемой переменной от требуемого значения. Такое воздействие называется возмущением и возмущающим воздействием.

Возмущение может действовать и наУУ. В частном случае в зависимости от принципа управления обратная связь или каналсвязи, по которому информация о возмущении поступает на УУ, может отсутствовать.Выходная переменная УУ u, являющаяся входной переменной ОУ, называетсяуправляющим воздействием или управлением.В случае резервуара с жидкостью основным возмущающим воздействием являетсяотклонение расхода жидкости от номинального значения (из-за подключения или отключения потребителей).Объекты управления в зависимости от реакции на входные воздействия делятся наустойчивые, нейтральные и неустойчивые. Допустим, что при входных воздействияхu  u 0 и f  f 0 выходная переменная y  y 0 .

И пусть на какое-то время T хотя бы одноиз входных воздействий изменяется ( u  u 0  u или f  f 0  f ), а затем принимаетпервоначальное значение ( u  0 и f  0 при t  t 0  T ). Если при этом выходная пере-менная со временем принимает первоначальное значение ( y (t )  y 0 при t   ), объектуправления называется устойчивым; если переменная принимает новое постоянное значение ( y (t )  y *  y 0 при t   ), объект управления называется нейтральным; если переменная не стремится к первоначальному или новому постоянному значению, объект называется неустойчивым.Например, резервуар с жидкостью является нейтральным объектом управления.Действительно, пусть, например, расход жидкости увеличивается, тогда уровень жидко2сти будет падать. И если затем расход жидкости восстановится до первоначального значения, то установится такой уровень, какой достигается в момент восстановления расхода,т.е.

h примет новое значение.1.2. Принципы управления1.2.1. Принцип программного управления. Если об объекте управления все известно, то, точно зная, как зависит выходная переменная объекта управления от управляющего воздействия, управление можно формировать как известную функцию времениu  u * (t ) . Такой способ организации управления можно назвать принципом программногоуправления.

При таком принципе управления УУ можно представить как устройство, состоящее из программатора (программирующего устройства) и исполнительного устройства (ИУ) (рис. 1.3). В частном случае исполнительное устройство может отсутствовать.Принцип программногоуправления неприменим приуправлении объектом, на который действуют заранее не известные возмущения, оказывающие существенное влияниеРис.

1.3. Система программного управленияна управляемую величину. Онтакже неприменим, если объект управления является нейтральным или неустойчивым исистема управления должна функционировать достаточно длительное время. Это связанос тем, что при нейтральном и неустойчивом объекте управления небольшая систематическая ошибка в программном управлении приводит к нарастающей ошибке управляемойпеременной.1.2.2. Принцип компенсации. Основной причиной, обуславливающей использование специальных УУ, содержащих, помимо программатора и ИУ, измерительные и усилительно-преобразующие устройства, является действие на систему управления возмущений, оказывающих существенное влияние на ее работу.

Естественно напрашивается способ управления, при котором определяются (измеряются) действующие на систему управления возмущения и на их основе вырабатывается управляющее воздействие, котороеполностью или частично компенсирует влияние возмущений на процесс управления.Способ управления, при котором управляющее воздействие вырабатывается на основе действующих возмущений, называется способом управления по возмущению илипринципом компенсации.Принцип компенсации иногда также называют принципом Понселе (по именифранцузского инженера Ж. Понселе (Ponselet), предложившего принцип регулированияпаровой машины по моменту сопротивления на ее валу, т.е. по возмущению).Достоинством способа управления по возмущению является принципиальная возможность полной компенсации возмущающего воздействия.Недостатком метода компенсации является то, что он не всегда применим.

Егонельзя применять, если возмущение нельзя измерить (из-за того, что его существование неизвестно или по другой причине). Его нецелесообразно использовать, когда на системудействует много различных возмущений, так как в этом случае УУ получается сложным.Кроме того, принцип компенсации нельзя использовать, если объект управления являетсянейтральным или неустойчивым.Действительно, рассмотрим в качестве примера резервуар с жидкостью (см. рис.1.1), который является нейтральным объектом управления. Пусть q A – приток жидкости(объем жидкости, поступающей в резервуар за единицу времени), q B – расход (объемжидкости, вытекающей из резервуара за единицу времени), и пусть в начальный моментвремени t0 уровень жидкости равен требуемому значению.