Г.К. Гудвин - Проектирование систем управления (1054010), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Инженер по системам управления в свою очередь думает об элементах системы управления в таких абстрактных терминах, как сигналы, системы и динамические реакции. Эти элементы могут быть далее заданы их физической реализацией, математической моделью, или их свойствами (см. табл. 1). Эта книга отражает точку зрения инженера по системам управления, одну из точек зрения в процессе автоматизации; однако читатель должен иметь в виду и другие точки зрения, поскольку только в этом случае формируется целостное представление предмета.

Первая часть книги — первая стадия нашего путешествия в разработку систем управления. Она содержит введение в основные характеристики непрерывных сигналов и систем и описывает ведущую роль обратной Введение 23 Таблица 1 Системы и сигналы в терминах контура управления Примеры математических моделей Физические примеры Примеры свойств Сигналы Системы процесс, регулятор, датчики, исполнительные механизмы, ... непрерывные, дискретные, линейные, нелинейные, ...

связи в проектировании системы управления. Все зто — основные блоки, на которых строится все здание систем управления. уставка, управля- ющий сигнал, возмущения, измеренные величины,... непрерывная функция, дискретная последователь- ность, случайный процесс, ... дифференциаль- ные уравнения, разностные уравнения, передаточные функции, модели пространства состояний,... аналитические, случайные, синусоиданьные процессы, стандартные отклонения,,...

Глава 1 Причины создания систем управления 1.1. Введение Эта глава предназначена для обоснования необходимости изучения во- просов разработки систем управления. В частности, она охватывает: ° краткий обзор возможностей управления, ° исторические периоды в развитии теории управления, ° виды проблем в системах управления, ° введение в системотехнику и ° экономический анализ.

1.2. Причины разработки систем управления Управление с применением обратной связи имеет длинную историю, которая началась с давнего желания людей использовать предметы и силы природы в своих целях. Первые примеры систем управления включают системы регулирования часов и механизмы направления ветряных мельниц навстречу ветру. Ключевой шаг вперед в развитии систем управления произошел в период промышленной революции. К тому времени получили широкое развитие машины, которые существенно увеличивали способность превращать сырье в изделия на благо обществу. Связанные с этим машины, особенно паровые, использующие большие потоки энергии, привели к пониманию, что этой энергией нужно управлять, чтобы системы работали благополучно и эффективно. Главным достижением этого времени был центробежный регулятор Уатта.

Это устройство регулировало скорость парового двигателя, ограничивая поток пара; см. рис. 1.1. Такие устройства работают по сей день. Мировые войны также привели к прогрессу в разработке систем управления, некоторые из которых были связаны с системами ведения 1.2. Причины разработки систем управления 25 значению Рис. 1.1. Центробежный регулятор Уатта военных действий, другие — с повышенными требованиями к производству, необходимыми для успешного ведения войны.

Выход в космос в ЮбО-х и 1970-х годах также зависел от успехов в разработке систем управления. Эти разработки затем вернулись в производство товаров народного потребления, а также и в коммерческие, экологические и медицинские приложения. Такое использование прогрессивных систем управления продолжалось в быстром темпе. Упомянем лишь один пример из личного опыта авторов — управление толщиной полосы прокатного стана было важным успехом в применении усовершенствованных систем управления. Действительно, точность управления толщиной листа улучшилась за последние 50 лет на два порядка, благодаря, в частности и улучшенному управлению. Для 26 Глава ь Причины создания систем управления многих компаний это оказалось не только доходным, но и жизненно необходимым. К концу двадцатого столетия использование систем управления стало вездесущим (но в значительной степени незаметным) элементом современного общества.

Фактически каждая система, с которой мы имеем дело, подкреплена сложными системами управления. Среди примеров можно упомянуть и простые домашние устройства (регулирование температуры в кондиционерах, термостаты в нагревателях воды и т. д.) и более сложные системы типа автомобиля (которые имеют сотни контуров управления) и крупномасштабные системы (типа химических заводов, самолетов и производственных процессов). Например, рис.

1.2 показывает схему Келлог-процесса на аммиачном заводе. В мире имеется приблизительно 400 таких заводов. Такой сложный химический завод, наподобие показанного на рис. 1.2, обычно имеет много сотен контуров управления. На самом деле для простоты мы не показали на рис. 1.2 многие вспомогательные объекты, которые также имеют существенное число контуров управления. Многие из этих промышленных регуляторов используют технологию режущей кромки. Например, в случае прокатного стана (см. рис. 1.3), система управления развивает усилия порядка 2000 тонн, скорости до 120 км/ч и (и алюминиевой промышленности) допустимые отклонения порядка 5 микрон (1/500-я от толщины человеческого волоса!).

Все это достигнуто с помощью точных аппаратных средств ЭВМ, современного вычислительного аппарата и сложных алгоритмов управления. За пределами пролввтпслемнвст примеров механизмы регулирования с помощью обратной связи являются центральными в жизнедеятельности биологических систем, сетей связи, национальных экономик и даже в отношениях между людьми. Действительно, если внимательно подумать, управление в той или иной форме может быть найдено в каждом аспекте жизни. В этом контексте проектирование систем управления связано с разработкой, созданием и использованием этих систем. Как мы увидим позже, это — одна из наиболее перспективных и интересных областей современного проектирования. На самом деле, чтобы успешно разработать систему управления, требуется объединить много дисциплин, включая моделирование (чтобы учесть лежащую в основе физику и химию процесса), технологию датчиков (чтобы измерить состояние системы), исполнительные механизмы (чтобы выполнить корректирующие действия в системе), линии связи (чтобы передавать данные), средства вычисления (чтобы выполнить сложную задачу преобразования измеренных данных в соответствующие действия исполнительного механизма) и 1.2.

Причины разработки систем управления 27 интерфейс (чтобы обеспечить непрерывное взаимодействие различных компонентов в системе управления). Таким образом, разработка систем управления — захватывающий мультидисциплинарный предмет с чрезвычайно большим диапазоном практических применений. Интерес к системам управления вряд ли уменьшится в обозримом будущем. Напротив, он станет, вероятно, еще большим из-за увеличивающейся глобализации рынков и экологических проблем.

1.2.1. Проблемы рыночной глобализации Рыночная глобализация становится всеобъемлющей и это означает, что для того, чтобы остаться в бизнесе, производственные отрасли промышленности должны обращать большее внимание на проблемы качества и эффективности. Действительно, в нынешнем обществе немногие из компаний могут себе позволить быть на вторых ролях. В свою очередь, это сосредотачивает внимание на развитии усовершенствованных систем управления, чтобы процессы протекали наилучшим образом.

В частности, улучшенное управление — ключ для совершенствования технологии, обеспечивающей: ° улучшенное качество изделия, ° минимизацию потерь, ° защиту окружающей среды, ° увеличение производительности для установленных мощностей, ° увеличение продукции, ° отсрочку дорогостоящей модернизации объекта управления и ° более высокие запасы безопасности. Все эти проблемы присущи управлению сложным объектом типа, пока- занного на рис.

1.2. 1.2.2. Экологические проблемы Все компании и правительства все более и более понимают, что, получая свои выгоды, не следует забывать о конечности природных ресурсов и сохранении нашей хрупкой окружающей среды. Опять-таки, разработка систем управления — основа в достижении этих целей. Можно упомянуть один широко известный пример, когда изменения в законодательстве относительно выбросов от автомобилей в Калифорнии потребовали от изготовителей автомобилей существенных изменений в технологии, включая усовершенствованную стратегию контроля двигателей внутреннего сгорания.

кз. исторические периоды развития теории управления 29 Таким образом, мы видим, что разработку систем управления стимулируют в основном экономические, политические и экологические факторы. Награда для тех, кто обеспечит все это, может быть огромна. 1.3. Исторические периоды развития теории управления Ранее мы видели, что главные шаги в развитии систем управления происходили в критические исторические моменты (например, индустриальная революция, Вторая Мировая война, выход в космос, экономическая глобализация, а также биржевые соображения).

Характеристики

Список файлов книги