Общее описание систем управления

Автоматическое управление в технике – это совокупность действий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления. Автоматической управление широко применяется во многих технических и биотехнических системах для выполнения операций, не осуществимых человеком в связи с необходимостью переработки большого количества информации в ограниченное время, для повышения производительности труда, качества и точности регулирования, освобождения человека от управления системами, функционирующими в условиях относительной недоступности или опасных для здоровья.[1]

Цель управления тем или иным образом связывается с изменением во времени регулируемой (управляемой) величины - выходной величины управляемого объекта. Для осуществления цели управления, с учётом особенностей управляемых объектов различной природы и специфики отдельных классов систем, организуется воздействие на управляющие органы объекта - управляющее воздействие. Оно предназначено также для компенсации эффекта внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить требуемое поведение регулируемой величины. Управляющее воздействие вырабатывается устройством управления (УУ). Совокупность взаимодействующих управляющего устройства и управляемого объекта образует систему автоматического управления. Система автоматического управления (САУ) поддерживает или улучшает функционирование управляемого объекта. В ряде случаев вспомогательные для САУ операции (пуск, остановка, контроль, наладка и т.д.) также могут быть автоматизированы. САУ функционирует в основном в составе производственного или какого-либо другого комплекса.

Специализированные САУ широко применяются в различных областях техники, например: следящая система управления копировально-фрезерным станком по жёсткому копиру; САУ металлорежущих станков с программным управлением от магнитной ленты, перфоленты или перфокарты (преимущества такого управления заключаются в относительной универсальности, лёгкости перестройки программы и высокой точности обработки деталей); система программного управления реверсивным прокатным станом, включающая в свой контур управляющую вычислительную машину. В относительно медленных технологических процессах в химической и нефтяной промышленности распространены многосвязные САУ, осуществляющие регулирование большого количества связанных величин; так, при перегонке нефти информация о температуре, давлении, расходе и составе нефтепродуктов, получаемая от нескольких сотен датчиков, используется для формирования сигналов управления десятками различных регуляторов. САУ играют важную роль в авиации и космонавтике, например автопилот представляет собой САУ связанного регулирования, а иногда и самонастраивающуюся систему. В военной технике применяются высокоточные следящие системы, часто включающие вычислительные устройства (например, система углового сопровождения радиолокационной станции). При анализе многих физиологических процессов в живом организме, таких как кровообращение, регуляция температуры тела у теплокровных животных, двигательные операции, обнаруживаются характерные черты САУ.

Система управления содержит управляющую подсистему или объект управления (ОУ), устройство управления (УУ) и схему сравнения входного сигнала g(t) и выходного сигнала x(t). При этом заданная функция времени g(t) определяет требуемое изменение выходного сигнала x(t) системы управления.

В схеме сравнения вычисляется рассогласование Ԑ(t) = g(t)-x(t), возникающее в процессе управления. Устройство управления предназначено для выработки сигналов управления U(t).

Математическая модель любой из систем управления включает в себя описание входных и выходных сигналов и вид преобразования входных сигналов g(t) в выходные сигналы x(t). Всю совокупность этих преобразований можно представить с помощью оператора A: x(t) =A * g(t). Как следует из этой формулы, классификация систем управления может быть основана либо на свойствах входных и выходных сигналов, либо на свойствах оператора A. [2]

Классификация систем управления

Системы управления, имеющие один вход и один выход, называют одномерными. Системы, имеющие несколько входов или выходов, называют многомерными.

Системы управления называют непрерывными, если входные и выходные сигналы имеют непрерывное множество значений по времени. Если сигналы поступают в дискретные моменты времени, то такие системы называют дискретными или импульсными.

Дискретные системы управления с конечным числом уровней сигналов называют цифровыми.

Представим реализации сигналов систем различных типов в виде графиков. На рис. 1,а изображен характерный вид сигнала в непрерывной системе. На рис. 1,б представлен характерный вид сигнала в дискретной или импульсной системе. На рис. 2 – в цифровой. Заметим, что все системы, построенные на базе ЭВМ, являются цифровыми.[18]

Рисунок 1 – Сигналы системы в дискретной системе

Рисунок 2 – Сигналы системы в цифровой системе

Рассмотрим классификацию систем управления, основанную на свойствах оператора А.

Систему называют стационарной, если вид и свойства оператора А не изменяются во времени. Если же свойства оператора А изменяются во времени, то систему называют нестационарной. Стационарность означает, что вид выходного сигнала системы не зависит от сдвига по времени входного сигнала.

Системы управления называют линейными, если выполняются принцип суперпозиции. Если этот принцип несправедлив, то систему называют нелинейной.

Сущность принципа суперпозиции заключается в том, что линейной комбинации произвольных входных сигналов соответствует линейная комбинация соответствующих выходных сигналов:

.

Принцип суперпозиции всегда выполняется, если выполняются следующие два условия:

1) при суммировании любых двух входных сигналов соответствующие выходные сигналы суммируются;

2) при любом увеличении (уменьшении) входного сигнала без изменения его формы выходной сигнал увеличивается (уменьшается) во столько же раз, также не изменяя своей формы.

Оператор A, соответствующий линейной системе, называют линейным оператором. Примерами линейных операторов могут служить операторы дифференцирования или интегрирования:

,

Центральное место, которое занимают линейные системы в теории управления, обусловлено тремя основными причинами. Во-первых, многие реальные системы управления хорошо описываются линейными моделями. Во-вторых, именно для линейных систем разработаны сравнительно простые математические методы анализа. Основой для исследования нелинейных систем управления служит математический аппарат теории линейных систем.[7]