Основы теории автоматического управления. Основные понятия. Лекция 7

1. Лекция 7. Основы теории автоматического управления. Основные понятия.

1

2. Литература

2

3. Введение

Структуры управления разделяют на два больших
класса:
Автоматизированная система управления (АСУ) — с
участием человека в контуре управления;
Система автоматического управления (САУ) — без
участия человека в контуре управления.
3

4. Введение

Теория управления – наука, которая изучает процессы
управления, законы управления, основы
проектирования систем автоматического
управления (САУ).
4

5. Введение

САУ, это такие систем, которые работают в
автоматическом режиме без участия человека в
контуре управления. В отличие от
автоматизированных систем управления (АСУ), где
предусмотрено участие человека в контуре
управления.
5

6. Введение

Основное назначение современной теории
автоматического управления (ТАУ) – это определение
алгоритма оптимального (субоптимальной)
достижения более важной обобщенной конечной
цели на каждом этапе функционирования системы.
Такой целью является запуск или выход на новый режим
работы машины, агрегата, станции с минимальными
затратами; достижение заданной навигационной
точки за определенное время с заданным курсом при
минимальном расходе топлива с соблюдением всех
ограничений, связанных с безопасностью,
вычислительной производительностью и т.п.
6

7. Введение

Все САУ делятся на разомкнутые и замкнутые системы
управления (СУ).
Обобщенная функциональная схема разомкнутой СУ
представлена на рис.
Источник
воздействия
Промежуточное
воздействие
Исполнительное устройство
Объект
управления
Контрольные
приборы
Измерительное
устройство
Обобщенная функциональная схема
разомкнутой СУ
7

8. Введение

Источником воздействия на объект управления (ОУ)
является человек или какое либо автоматическое
устройство. Например, фотоэлемент в системе
охраны. По этому принципу работают многие
известные СУ, в том числе система управления
самолетом, где ОУ является двигатель, а источником
воздействия – пилот.
8

9. Введение

Обобщенная функциональная схема замкнутой СУ
представлена на рис
f
g
Усилительпреобразова=
тель
Регуляторы
ЭВМ
u
Исполниель.
устройство
Измерительпреобразоват
ель
Обобщенная функциональная схема
замкнутой СУ
9
y
ОУ

10. Введение

В схеме используются следующие обозначения:
g (t ) – задающее воздействие;
(t ) – ошибка системы;
u (t ) – управляющее воздействие;
f (t ) – возмущающее воздействие;
y (t ) – выход системы управления, регулируемая величина
или управляемая величина.
Замкнутая САУ – это система управления с обратной
связью. Обратная связь (ОС) в замкнутой САУ
«передает» результаты измерения выходной
величины на вход системы управления.
10

11. Введение

Входами СУ являются
задающее воздействие g (t )
возмущающее воздействие f (t )
Только входное воздействие - это полезный сигнал, а
возмущающее воздействие - является, как правило
неконтролируемой помехой, действие которой надо
подавить.
Задача САУ состоит в том, чтобы возможно точнее
воспроизводить на выходе y (t ) сигнал задания g (t )
и возможно точнее подавлять влияние возмущающего
воздействия f (t ) , а также других внешних
неконтролируемых помех.
11

12. Введение

Для выполнения поставленной задачи управляемая
величина y (t )
сравнивается через измерительное устройство с
задающим воздействием g (t )
В результате сравнения получается ошибка системы
(t ) g (t ) y (t )
Рассогласование, или ошибка служит
источником воздействия на систему управления,
т.е. СУ работает на «уничтожение» или сведение
к минимуму величины рассогласования min
12

13. Введение

В зависимости от возлагаемых задач САУ можно
подразделить на три основных класса:
системы автоматического регулирования, в
которых составляющие вектора задания, то есть,
задающие воздействия, представляют собой
заданные постоянные величины;
системы программного регулирования, в которых
одно или несколько задающих воздействий являются
известными функциями времени, а остальные –
заданными постоянными величинами;
следящие системы, в которых все или некоторые
управляющие воздействия представляют собой
13заранее неизвестные функции времени.

14. Системы автоматического регулирования

1. Самый простой и широко используемый случай, когда
задающее воздействие постоянно g (t ) const .
Это системы автоматического регулирования (САР).
САР призваны поддерживать регулируемую величину
на постоянном уровне, например, частоту вращения
двигателя исполнительного механизма ; температуру
нагрева термостата ; напряжение на клеммах
генератора и т.п.
Такие САР еще называются системами стабилизации.
Например, система стабилизации курса самолета,
система стабилизации углового положения
гироплатформы и т.п.
14

15. Системы программного регулирования

2. Задающее воздействие g (t ) может быть заранее
заданным во времени законом управления или так
называемым программным управлением.
В этом случае выходная величина y (t ) должна
следовать заданному закону изменения во времени.
Например, программа, задающая угол наклона
продольной оси ракетоносителя при запуске
спутника, начиная от вертикального положения на
старте до горизонтального положения на круговую
орбиту.
15

16. Системы программного регулирования

(t )
(t )
(t )
пр (t )
0
Графическое представление
программного движения ракетоносителя
16
t

17. Следящие системы

Следящая система управления — это система
автоматического управления, в которой управляемая
величина воспроизводит произвольно изменяющееся
задающее воздействие.
Пример следящей системы — радиолокационная
станция, в её задачи входит сопровождение цели с
заранее неизвестным законом движения.
17

18. Следящие системы

К САУ, работающим по замкнутому контуру, относятся
также следящие системы (СС). На рис. представлена
обобщенная функциональная схема СС.
18

19. Следящие системы

(t )
Усилитель
Двигатель
Редуктор
Сельсинная
ОС
Обобщенная функциональная схема СС
19
(t )
Нагрузка

20. Следящие системы

В рассматриваемой следящей системе
(t ) – угол поворота выходного вала двигателя
постоянного тока (ДПТ), который должен следовать
(t ) – углу повороту входного вала с наименьшей
ошибкой (t ) , причем (t ) = (t ) (t )
Управляющим воздействием в этом случае является
u k
20

21. САУ

Важно отметить, что в замкнутых САУ, как правило, не
бывает спокойного состояния равновесия. Всё время
имеются какие-либо внешние возмущения, которые и
порождают рассогласование, а это, в свою очередь,
заставляет систему работать.
Из всего изложенного следует, что важнейшим
элементом анализа и проектирования (синтеза) САУ
является исследование динамических процессов,
отображающих поведение всех звеньев САУ (в том
числе и ЭВМ в контуре управления), описываемых
дифференциальными уравнениями.
21

22. САУ

В замкнутых САУ все физические величины связаны
между собой и являются различного рода
воздействиями одного звена на другое.
Поэтому приходится уравнения динамики всех звеньев
системы решать совместно.
То есть иметь дело с системой дифференциальных
уравнений высокого порядка. Это в свою очередь
существенно усложняет задачу анализа и синтеза
САУ, задачу исследования устойчивости и качества
процессов управления. Именно решением этих задач
занимается теория автоматического управления
(ТАУ).
22

23. САУ

Исторически первыми регуляторами с замкнутым
циклом были: регулятор уровня теплоносителя в котле
паровой машины И.И. Ползунова (1765год); регулятор
скорости вращения вала паровой машины Д. Уатта
(1784 год).
Первые исследования динамики замкнутых САУ,
исследование устойчивости и качества процессов
регулирования принадлежат И.А. Вышнеградскому
(1876 год).
23

24. Классификация САУ

Все САУ можно разделить на следующие основные
классы по различным признакам.
24

25. Классификация САУ

В зависимости от того, линейная или нелинейная
математическая модель выбирается при
исследовании САР, все системы подразделяются на
линейные и нелинейные.
25

26. Классификация САУ

Как линейные, так и нелинейные САР подразделяют на
следующих три класса:
непрерывные, для математического описания которых
используются дифференциальные уравнения;
дискретные, для описания которых используются
разностные уравнения;
дискретно-непрерывные, для описания которых
используются и тот, и другой вид уравнений.
26

27. Классификация САУ

В зависимости от характера внутренних сигналов,
передаваемых от одного элемента системы к другому,
САР подразделяются на пять основных категорий:
непрерывные, в которых сигналы на входе и на выходе
всех элементов системы представляют собой
непрерывные функции времени;
системы с гармонической модуляцией сигнала,
содержащие модуляторы (элементы,
осуществляющие гармоническую модуляцию
непрерывного сигнала) и демодуляторы (элементы,
осуществляющие обратное преобразование
гармонически модулированного сигнала в
непрерывный);
27

28. Классификация САУ

импульсные, или системы с импульсной модуляцией
сигнала, содержащие импульсные элементы
(импульсные модуляторы и экстраполяторы) и
осуществляющие квантование сигнала по времени;
релейные, содержащие релейные элементы и
осуществляющие квантование сигнала по уровню;
релейно-импульсные, или кодово-импульсные, в
которых происходит квантование сигнала как по
времени, так и по уровню.
Последние четыре категории систем относятся к
дискретным САР.
28

29. Классификация САУ

В зависимости от характера контролируемых изменений
различают обычные (неприспосабливающиеся) и
адаптивные САР.
Другими словами, в адаптивных САР автоматический
регулятор может самостоятельно изменять свои
свойства для повышения точности регулирования
(изменение своих параметров, генерирование
дополнительных воздействий и др.).
29

30. Классификация САУ

Кроме того, все САР подразделяются на
детерминированные и статистические, в
зависимости от того, являются ли параметры САР и
приложенные к ней воздействия
детерминированными или случайными функциями
переменных состояния и времени.
30

31. Классификация САУ

В зависимости от природы управляемых объектов можно
выделить биологические, экологические, экономические и
технические системы управления. В качестве примеров
технического управления можно привести:
Системы дискретного действия
или автоматы (торговые, игровые, музыкальные).
Системы стабилизации напряжения, температуры, уровня
жидкости, оборотов, уровня
звука, изображения или магнитной записи и др. Это могут
быть управляемые комплексы летательных аппаратов,
включающие в свой состав системы автоматического
управления двигателя, рулевыми
механизмами, автопилоты и навигационные системы.
31