Общая характеристика объектов и сау

Исторические сведения

Первые сведения об автоматах появились в начале нашей эры в работах Герона Александрийского «Пневматика» и «Механика», где описаны автоматы, созданные Героном и его учителем Ктесибием: автомат для открытия дверей храма, водяной орган, автомат для продажи святой воды.

В средние века значительное развитие получила «андроидная» автоматика, когда автоматы подражали действиям человека и выглядели как человек. В XIII веке немецкий философ-схоласт и алхимик А. фон Больштадт построил робота для открывания и закрывания дверей.

В XVIII веке П. Дро создал механического писца и механического художника. Театр автоматов был создан в XVIII веке И. Кулибиным.

В XIX веке начался этап развития промышленной автоматики. Появились первые автоматические устройства, к которым относятся регулятор И. Ползунова (1765), регулятор паровой машины Дж. Уатта (1784), система программного управления ткацким станком Л. Жаккара (1808).

В 1854 году К. Константинов разработал электромагнитный регулятор скорости вращения для паровых машин, А. Шпаковский в 1866 году разработал регулятор, изменяющий подачу топлива в топку в зависимости от давления пара в котле. В 1879 году Й. Возняковский и К. Воронин осуществили прерывистое регулирование питания котла водой.

Общая теория регуляторов была разработана в 1868 – 1876 годах в работах Д. Максвелла и В. Вышнеградского, вопросы устойчивости систем регулирования исследовал А. Стодола и А. Гурвиц.

В конце XIX – начале XX столетия создаются новые виды регулирующих приборов. В 1877 году А. Давыдов разработал следящую систему для автоматического управления артиллерийским оружием. Первый программный регулятор разработал Н. Захаров в 1882 году.

Большое значение для развития теории регулирования имели исследования А. Ляпунова, который опубликовал в 1892 году труд «Общая задача устойчивости движения».

Крупный вклад в теорию внес Н. Жуковский, создавший теорию орбитальной устойчивости на основе вариационных принципов динамики, им написан первый учебник «Теория регулирования хода машин» (1909).

Большой вклад в развитие теории управления внесли советские ученые И. Вознесенский, С. Лебедев, П. Яданов, А. Лурье, А. Летов, В. Постников, М. Айзерман, А. Андронов, Я. Цыпкин, Н. Крылов и Н. Боголюбов.

В тридцатые годы XX века появляются работы X. Найквиста, А. Михайлова, Г. Боде, Г. Брауна, А. Холла, В. Солодовникова, В. Попова.

В послевоенные годы в трудах Г. Щипанова, В. Кулебакина, Б. Петрова была разработана теория инвариантности; В. Казакевичем. А. Фельдбаумом, А. Красовским разработаны принципы экстремального управления. В эти же годы Л. Понтрягин, А. Летов, Н. Красовский создают основы теории оптимального управления.

В настоящее время теория автоматического управления переросла рамки технических систем. Динамические управляемые процессы существуют в живых организмах, экономических и организационных системах.

Дальнейшее развитие автоматизации и усложнение систем привело к созданию автоматизированных систем управления (АСУ) технологическими процессами (АСУТП), производством (АСУП).

Основные понятия и определения

Задача автоматизации состоит в осуществлении автоматического управления различными техническими процессами.

Технологический процесс можно расчленить на более простые, связанные между собой процессы и выделить, таким образом, рабочие операции, результатом которых является преобразование материала, энергии, информации, и операции управления, обеспечивающие задание режимов.

Рабочие операции сопряжены с затратами энергии и если их выполняет человек, то затрачивается его физическая сила. Замена труда человека в рабочих операциях работой машин называется механизацией.

Совокупность операций управления образует процесс управления. Под управлением понимают такую организацию того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенной цели. На операции управления затрачивается интеллектуальный труд человека.

Замена труда человека в операциях управления действиями технических управляющих устройств называется автоматизацией. Техническое устройство, выполняющее операции управления без непосредственного участия человека, называется автоматическим устройством.

Совокупность технических средств, выполняющих данный процесс, является объектом управления. Совокупность средств управления и объекта образует систему управления. Система, в которой все рабочие операции и операции управления выполняют автоматические устройства, называется автоматической. Система, в которой автоматизирована только часть операций, называется автоматизированной.

Частным случаем управления является регулирование. При регулировании координаты процесса (давление, температура, расход, положение) поддерживаются на заданном значении с помощью специальных устройств – автоматических регуляторов. Совокупность автоматического регулятора и регулируемого объекта образует систему автоматического регулирования. Объекты управления и регулирования по своей физической природе разнообразны, но принципы построения систем управления и регулирования неизменны для всех объектов.

Для изображения системы автоматического управления (регулирования) используют структурные схемы, в которых элементы системы изображают в виде прямоугольников, а связи между элементами – стрелками, показывающими направление передачи сигнала (рис. 1.1а, б).

Рис. 1.1. Примеры изображения объектов с входными и выходными сигналами:

а) один элемент системы; б)несколько элементов системы;

в) односвязный, характеризуется наличием векторов с одной координатой;

г) многосвязный, характеризуется несколькими взаимосвязанными координатами

Любой элемент системы (рис. 1.1в, г) характеризуется входной координатой (сигналом) и выходной координатой y (t), которая зависит от входного сигнала. Входная координата может быть управляющей (регулирующей) – x (t) и возмущающей – f (t). Возмущающее воздействие f (t)вызывает отклонение управляемой (регулируемой) координаты от заданного значения. Управляющее (регулирующее) воздействие x (t) служит для поддержания регулируемой координаты y (t) или задания управляемой координаты в соответствии с некоторым законом управления.

 

ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

 

Первый промышленный регулятор был изобретен в 1765 году Ползуновым для созданной им паровой машины (рис. 2.1). Задачей этого регулятора являлось поддержание в паровом котле постоянного уровня воды. Регулятор представлял собой поплавок 1,связанный системой рычагов с регулирующей заслонкой 2.При увеличении уровня поплавок поднимается, в результате чего заслонка опускается, перекрывая трубопровод и уменьшая подачу воды в котел. При уменьшении уровня поплавок опускается, подача воды увеличивается, уровень повышается.

В 1784 году Дж. Уатт сконструировал центробежный регулятор числа оборотов вала паровой машины (рис. 2.2). При изменении числа оборотов вала грузы 1под действием центробежной силы изменяют свое положение, что приводит к перемещению регулирующего органа 2и изменению подачи пара. Это вызывает изменение числа оборотов вала.

   

Рис. 2.1. Регулятор Ползунова                               Рис. 2.2. Регулятор Уатта

Сравнительный анализ рассмотренных регуляторов показывает, что оба они построены по единому принципу (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Структурные схемы систем регулирования: а) Ползунова; б) Уатта

Основными элементами систем автоматического регулирования являются: объект – паровой котел и паровая машина; регулирующее устройство – поплавок и центробежная муфта с регулирующими заслонками, соответственно, в регуляторах Ползунова и Уатта.

Выходные координаты (регулируемые переменные) – уровень Н и число оборотов n; регулирующие переменные – подача воды в паровой котел – G _В и расход пара в паровую машину – G _П, возмущающие воздействия – давление пара в котле, расход топлива, его теплотворная способность в первом случае и во втором – нагрузка на валу паровой машины, давление пара в трубопроводе.

Принцип регулирования этих регуляторов состоит в том, что они изменяют регулирующее воздействие при отклонении регулируемой переменной от заданного значения независимо от причин, вызвавших это отклонение. В систему вводится обратная связь, по которой передается сигнал с выхода объекта на его вход. Объект и регулятор образуют замкнутую систему автоматического регулирования (САР). Если сигнал обратной связи складывается с основным сигналом, то связь называется положительной, если вычитается – отрицательной. В автоматических системах управления обратная связь всегда отрицательна.

Рассмотренные схемы с обратной связью осуществляют управление по отклонению (рис. 2.4) выходной координаты y (t) от заданного значения y _ЗАД; Δ y = y (t) – y _ЗАД  называют ошибкой регулирования.

Системой автоматического регулирования по отклонению называют систему, в которой измеряется отклонение регулируемой величины от заданного значения и в зависимости от измеренного отклонения подается такое воздействие на регулирующий орган, которое уменьшает величину отклонения так, что Δ y → 0 при t → ∞.

Кроме регулирования по отклонению возможно регулирование по возмущению. В этом случае регулирующее воздействие вырабатывается регулятором в зависимости от величины возмущения. Системы регулирования по возмущению являются разомкнутыми системами (рис. 2.5). Компенсация достигается только по измеряемым возмущениям.

При регулировании по отклонению трудно выполнить одновременно условия точности и быстродействия. Наиболее эффективными системами регулирования являются комбинированные САP, сочетающие оба рассматриваемых принципа.

В этих системах наиболее сильные возмущения компенсируются регулятором по возмущению, а контур регулирования с обратной связью обеспечивает точность регулирования.

             

Рис. 2.4. Управление по отклонению     Рис. 2.5. Управление по возмущению

Таким образом, в основе построения систем автоматического управления (регулирования) лежат фундаментальные принципы: принцип регулирования по отклонению и принцип регулирования по возмущению.