Призначення

З появою складних технічних пристроїв виникла й проблема керування ними. У результаті керування людина прагне забезпечити задане протікання технологічних процесів або певний стан технічних пристроїв. Таким чином, керування деяким об'єктом - це цілеспрямований вплив на нього, призначене для зміни процесів, що протікають у ньому, у бажаному напрямку.

У загальному випадку в процесі керування вирішуються наступні завдання: одержання інформації про завдання керування й стан об'єкта, аналіз отриманої інформації й виробіток сигналу керування; вплив на об'єкт керування. Управляти об'єктом можна за участю або без участі людини. В останньому випадку керування називається автоматичним, а сукупність технічних засобів, що забезпечують керування (тобто виконання перерахованих завдань), називається автоматичним керуючим пристроєм. Автоматичні керуючі пристрої часто називають регуляторами, а складні — системами автоматичного керування (САК). Об'єкт керування разом з автоматичним керуючим пристроєм становлять автоматичну систему (АС).

Принцип керування, заснований на використанні інформації про результати керування, називається принципом зворотного зв'язку. Таке керування називається керуванням по замкнутому циклі, а автоматична система -. замкнутої АС. Основні закономірності процесу керування замкнутою системою можна простежити на прикладі ручного керування курсом літака при маршрутному польоті. Маршрут польоту літака задається курсом ψ який льотчик повинен витримувати. Під час польоту на літак діють різні сили, що прагнуть відхилити його від заданого курсу. Про фактичний курс ψ літака льотчик одержує відомості від відповідних приладів (радіокомпаса, курсової системи й ін.). Помітивши, що дійсний курс літака відрізняється від заданого, тобто Δ ψ = ψ - ψ ≠0, льотчик впливає на кермові органи таким чином, щоб усунути це відхилення. Описану систему можна представити у вигляді функціональної схеми (Рис. 1.1) Елементи схеми утворять замкнутий контур керування, що входить людина. При створенні системи автоматичного керування людина заміняється керуючою машиною.

Рис. 1.1 Функціональна схема ручного керування курсом літака

Об'єкти авіаційного встаткуванні в основному представляють замкнуті АС. У деяких випадках знаходить застосування керування по розімкнутому циклі, коли інформація про результати керування не використається.

Рис 1.2. Функціональна схема системи автоматичного керування

На рис 1.2наведена схема замкнутої АС у загальному виді. Фізична величина, що характеризує результат керуванні й визначає стані об'єкта, називається вихідним сигналом Y. Для будь-який АС можна виділити бажаний вихідний сигнал Y , що визначає призначення керування. Зокрема стосовно до системи керування курсом літака (рис, 1.1) Y = ψ , а Y=ψ. Зовнішній (стосовно АС) сигнал, що визначає задане значення вихідної величини, називається вхідним сигналом х (рис. 1.2). Інші зовнішні впливи називаються перешкодами або збурюваннями.

Для системи керування курсом x= ψ , а одним зі збурювань є,

наприклад бічний вектор.

Автоматичний керуючий пристрій містить наступні

елементи: датчики інформації про завдання керування(ДИЗУ); датчики

інформації про результати керування (ДИРУ); пристрою обробки

інформації (УОИ); виконавчі пристрої (ИУ).

Рис 1.3 функціональна схема системи автоматичного керування курсом літака

Датчики й пристрої з'єднані відповідними лініями зв'язку. Датчики інформації - це вимірники вхідного й вихідного сигналів. Датчики являють собою перетворювачі вхідних і вихідних величин АС у сигнали, зручні для подальшого використання.

Пристрій обробки інформації являє собою аналоговий або цифровий обчислювач, що аналізує надходячі від датчиків дані й виробляє сигнал керування.

Виконавчий пристрій підсилює й перетворить сигнал керування в безпосередній (керуючий) вплив на об'єкт. Для літакової САК виконавчим пристроєм є привід, а керуючим впливом - переміщення кермової поверхні.

На прикладі вже розглянутого процесу керування літаком за курсом можна показати, як будується САК літаком по замкнутому циклі. Найпростіша функціональна схема (рис. 1.3) містить у собі наступні елементи: датчик вхідного сигналу U_вх, що перетворить його в сигнал U , пропорційний заданому значенню Ψ регульованої величини; датчик U_вих вихідного сигналу, що сприймає регульовану величину ψ і перетворюючий її в сигнал U . зручний для порівняння із сигналом U ; порівняльний пристрій (СУ), що виробляє сигнал, рівний ΔU= U - U ; виконавчий пристрій (ИУ) і об'єкт регулювання - канал керування літаком за курсом. У наведеному простому прикладі пристрій обробки інформації складається із пристрою, що порівнює.

1.2 Елементарні ланки та їхні тимчасові характеристики

Елементи автоматичних пристроїв мають різні конструктивне виконання й принцип дії. Однак їх можна розглядати й із загальної позиції, цікавлячись тільки перетворенням сигналу на вході елемента в сигнал на виході. Такий підхід дає можливість установити єдину методику дослідження, визначити те загальним і характерне, що властиво всім елементам. Таким чином, будь-який елемент АС може бути представлений як деяка ланка, що характеризується вхідний X і вихідний Y величинами, між якими існує певна функціональна залежність.

Звичайно розглядають дві характеристики ланки: статичну й динамічну. Статичною характеристикою називають залежність y=ƒ(x) , кожна точка якої визначається в сталому режимі роботи елемента.

У загальному випадку процеси передачі сигналів не можуть відбуватися миттєво. Якщо вхідна величина буде мінятися досить швидко, то вихідна величина може й не встигати відслідковувати зміни вхідної величини. Виникає, таким чином, проблема вивчення властивостей елементів у динаміку, коли вхідний сигнал елемента міняється довільно у функції часу.

В автоматиці з метою дослідження АС використається математичний опис як системи в цілому, так й окремих її елементів. Часто динамічні властивості системи представляються лінійними диференціальними рівняннями з постійними коефіцієнтами. Для механічних елементів диференціальне рівняння означає рівняння руху мас, рівняння плину рідин, газів. Для електричних елементів диференціальні рівняння описують електромагнітні процеси в електричних ланцюгах. Всі елементи, пристрої, системи, динамічні властивості яких описуються однаковими диференціальними рівняннями, узагальнюються поняттям динамічної ланки. Динамічна ланка, описувана лінійними диференціальними рівняннями не вище другого порядку, називається елементарною.

Автоматична система може бути представлена у вигляді з'єднання елементарних ланок. Число типів елементарних ланок невелике. В автоматиці використаються наступні елементарні ланки: підсилювальна, інтегруюча, аперіодична, ланка другого порядку, ланка постійного запізнювання, що диференціює, що форсує першого порядку, що форсує другого порядку. Помітимо, що не завжди той або інший технічний пристрій може бути представлене у вигляді однієї елементарної ланки. Першим п'ятьом елементарним ланкам можна поставити у відповідність реальні пристрої. Це технічно реалізовані ланки. Інші описують реальні пристрої тільки в сукупності з іншими ланками.

У сучасній теорії автоматичного регулювання для опису АС поряд з диференціальними рівняннями широко використаються передаточні функції. Передаточна функція також відбиває динамічні властивості системи, однак вона більш зручна в практичному застосуванні, ніж диференціальні рівняння. Для порівняння передаточнихних властивостей АС між собою використаються перехідні функції. Перехідна функція показує характер зміни в часі вихідного сигналу за умови, що на вхід надійшов типовий сигнал - одиничний східчастий сигнал 1(t). (рис 1.4)

Рис 1.4. Одиничний східчастий сигнал