Лекция_1. Лекция #1 Введение. Основные определения систем автоматического управления
 Скачать 5.86 Mb.
|
|
Кафедра "Автоматизация и управления" Дисциплина: Линейные системы автоматического регулирования Специальность: Автоматизация и роботизация Кулакова Е А (сениор-лектор каф. АиУ) 2021г. ЛЕКЦИЯ #1 Введение. Основные определения систем автоматического управления СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ «ЛСАР» Лекции – 1 кр. (15 часов) Практика – 1 кр. (15 часов) Лабораторные – 1кр. (30 часов) МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛСАР АНАЛИЗ ЛСАР Устойчивость Оценки качества РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА (см. в Teams: «Файлы» > «Рекомендуемая литература») "Теория автоматического управления" имеет своей целью изучение теоретических основ управления любым техническим объектом или технологическим процессом. Примеры технических объектов: - самолет; - космический аппарат; - движение автомобиля; Примеры технологических процессов: - варка шихты; - движение нефти по нефтепроводу; -... Данная дисциплина относится к " Кибернетике " - науке об управлении. Теория автоматического управления Норберт Винер (1894-1964) – американский учёный, выдающийся математик и философ, основоположник кибернетики и теории искусственного интеллекта. 1. Основополагающим трудом в истории развития теории управления, считается работа Норберта Винера по основам кибернетики (Norbert Wiener. Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine. – John Wiley & Sons Inc., New York, 1948). В данной работе Винер определил кибернетику как науку об управлении связей в машинах и биологических системах. Кибернетика связана с управлением открытыми системами, но только теми, у которых есть обратная связь. Этапы истории развития теории управления Естественно, что управление с применением обратной связи имело к этому времени длинную историю, включающую примеры систем регулирования часов, механизмы направления ветряных мельниц навстречу ветру, поплавковые регуляторы на кораблях. Одним их главных достижений в области управления, в ходе промышленной революции, являлось создание центробежного регулятора Уатта. В ходе мировых войн были разработаны системы управления, связанные с системами ведения военных действий и связанными с военным производством. Однако, именно работа Винера позволила систематизировать полученные результаты и оформить их в отдельную науку об управлении. Дальнейшее развитие теории управления было связано как с дальнейшим техническим прогрессом, так и с разработкой математических методов и развитием компьютерной техники. В число научных дисциплин, образующих науку об управлении (кибернетику), входит: ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Вначале она создавалась для изучения статики и динамики процессов автоматического управления техническими объектами – производственными, энергетическими, транспортными и т.п. Основное её значение сохранилось и в наше время, хотя в последние годы результатами Теорией автоматического управления начинают пользоваться для изучения динамических свойств систем управления не только технического характера, а также экономического, организационного, биологического и т.д. 2. 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). Каждый из этих шагов был связан с соответствующим бурным развитием теории управления. В начале использования фундаментальной концепции обратной связи разработчики иногда сталкивались с неожиданными результатами. Это стало катализатором для строгого анализа. Например, если мы вернёмся к центробежному регулятору Уатта, оказалось, что при некоторых условиях он может создавать автоколебания. К концу 19-го столетия ряд исследователей (включая Максвелла) показали, как эти колебания могли быть описаны через свойства обыкновенных дифференциальных уравнений. События периода Второй Мировой войны были также ознаменованы существенными достижениями в теории управления. Например, пионерские работы Воде, Найквиста, Никольса, Эванса и других появились именно в это время, что привело к простым графическим средствам для анализа систем управления с одним входом и одним выходом. Эти методы теперь известны под именем « Классическая теория управления ». В 1960-е годы начал развиваться другой подход в теории управления – пространство состояний, что последовало за публикацией работ Винера, Калмана и других по оптимальному управлению. Эти работы позволили подойти к задачам со многими переменными единообразно, что было трудно, если не невозможно, в классической структуре. Такие приёмы широко называются « Современной теорией управления ». К 1980-м годам эти различные подходы к управлению достигли сложного уровня и переключились на другие примыкающие проблемы, включая влияние ошибки модели на работу регуляторов обратной связи. Это можно классифицировать как период « Робастной теории управления », которая включает изучение интервально-заданных систем, нечётких систем, стохастических и адаптивных систем. 3. Современный этап развития теории управления связан с широким распространением микропроцессорных систем (МПС), методов искусственного интеллекта, обработки баз данных (data mining), цифровизации. 4. Основные методы теории автоматического управления Квалифицированный специалист в области управления должен иметь математическую подготовку, которая включает следующие методы: - теория комплексных переменных и функций; - теория дифференциальных уравнений; - теория матриц; - преобразование Лапласа (операционное исчисление), Фурье, и Z–преобразование; - методы оптимизации; - прикладная статистика. На основе этих фундаментальных методах и моделях формулируется управление. Навыки работы с компьютером позволяют инженерам использовать современные инструменты программного обеспечения, реализуя методы теории автоматического управления и облегчая численное моделирование, анализ и синтез систем управления. Подготовка в области микропроцессоров требуется для реализации законов управления через микропроцессор и соединения микропроцессоров с устройствами системы. Знание схем и электроники является важным для понимания аспектов выполнения технических средств систем управления. Наконец, общее знание физики, механики, и проектирования необходимо чтобы понять природу системы, которая будет автоматизирована. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ Схема регулирования уровня жидкости в баке Схема регулирования уровня жидкости в баке Схема регулирования уровня жидкости в открытом баке Схема регулирования температуры печи Схема регулирования углом крена самолёта Основным понятием теории автоматического управления является система автоматического управления, основная схема которой состоит из объекта управления и устройства управления (рисунок 1). Рисунок 1 - Общая схема системы управления Объект управления или управляемый процесс – физический процесс, то есть, совокупность физических преобразований, которые должны быть поддержаны в соответствии с точно определенным эксплуатационным режимом. Объект управления может рассматриваться как устройство, которое имеет входное воздействие (воздействия) и управляемую переменную (переменные) на выходе. Управляемая переменная количественно представляет фактический режим, состояние, или характеристику управляемого процесса. Входное воздействие - управляющее воздействие, приложенное ко входу управляемого объекта, чтобы обеспечить требуемое воздействие на ее состояние или характеристику. ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ входное воздействие выходной сигнал (управляемая переменная) Система управления – совокупность элементов, выполняющих функции управления. Система управления типично формирует замкнутый контур с управляемым процессом в прямой цепи. Система автоматического управления - в контуре управления отсутствует человек. Система автоматизированного управления - в контуре управления присутствует человек. Управление – означает поддерживать определенный режим, состояние, или выполнение физического процесса. ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ входное воздейст вие Задаю щее устрой ство Регулиру ющий орган сигнал ошибки задающее воздействие Исполните льный механизм Регул ятор Срав нени е сигнал возмущения Преобразов атель выходной сигнал Замкнутая система управления Преобразователь (чувствительный элемент) – техническое устройство, которое преобразовывает управляемую переменную в электрический сигнал, обеспечивая количественное описание фактического режима, состояния или характеристики управляемого процесса. Задающее воздействие – представляет желаемый режим, состояние, или характеристику управляемого процесса. Управляемые переменные (упомянутые выше) представлены специфическими электрическими сигналами низкой мощности следующей некоторой шкалы. Желаемые сигналы имеют тот же самый порядок величины и мощности как сигналы представляющие управляемые переменные, но определенные операторами процесса. Данные сигналы производятся задающим устройством. Сигналы возмущения представляют все внешние (и иногда внутренние) причины, которые приводят к нежелательным отклонениям управляемых переменных от их требуемых значений. Устройство управления состоит из следующих элементов: Сигнал ошибки – разность между фактическими и желаемыми значениями управляемой переменной, или между задающим воздействием и сигналом датчика. Регулятор – аналоговое или цифровое устройство, которое определяет управляющее воздействие, преобразуя сигнал ошибки в сигнал управления, в соответствии с законом управления. Исполнительный механизм – электрическое, гидравлическое, или пневматическое устройство, которое выполняет усиление мощности управляющего сигнала, производя управляющее воздействие. Регулирующий орган – устройство, управляемое исполнительным механизмом, которое непосредственно воздействует на управляемый процесс, путем подачи входного воздействие (управляемый вход). Было отмечено, что способность сложной системы сохранять ее положение без любого "интеллектуального" наблюдения основывается на так называемом механизме отрицательной обратной связи . Механизм отрицательной обратной связи действует в соответствии со следующим принципом: – определяется ошибка, то есть, несоответствие между действительным состоянием и заданным состоянием системы; – формируется управляющее воздействие, определенное как некоторая функция ошибки, – направление (знак) управляющего воздействия всегда определяется так, что обнаруженная ошибка будет уменьшена или устранена, т.е. полный эффект от управляющего воздействия на систему, как ожидается, должен быть равен (или близок) эффекту от возмущающего фактора, взятому с отрицательным знаком (отрицательная обратная связь). Можно отметить, что система управления осуществляя принцип отрицательный обратной связи, имеет отличительную замкнутую цепь преобразований: источники/энергия/сигнал/информация, как показано на рисунке 1. Прямая цепь обычно отвечает за главное физическое преобразование, которое составляет управляемый процесс. Звено обратной связи также выполняет физические преобразования, например преобразование электрических сигналов, но электроэнергия этих сигналов очень низкая: сигналы используются как носители информации. Роль обратной связи Функциональная схема замкнутой системы регулирования ЗУ задающее устройство Рег-р регулятор ИМ исполнительный механизм РО регулирующий орган ОУ объект управления Д датчик (преобразователь) r задающее воздействие (SV) e сигнал ошибки (ошибка рассогласования e=r-y) u сигнал управления d Возмущения (DV) y регулируемая величина (координата состояния ОУ) (PV) устройство сравнения (сумматор) У Усилитель: Усилитель Усилитель напряжения мощности u РО r d Д y ИМ ОУ ЗУ Рег-р e - y УН УМ Устройство сравнения a+b а а а b b b a+b a-b a-b КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ ЗАМКНУТОГО УПРАВЛЕНИЯ РАЗОМКНУТОГО УПРАВЛЕНИЯ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ВОЗМУЩЕНИЙ В данной системе точность регулирования обеспечивается без измерения возмущений. Коррекция сигнала управления в замкнутой системе осуществляется на основе анализа текущего состояния ОУ, т.е. по результатам измерений значений выходных координат y. В данной системе точность регулирования обеспечивается без измерения возмущений. Коррекция сигнала управления в замкнутой системе осуществляется на основе анализа текущего состояния ОУ, т.е. по результатам измерений значений выходных координат y. 1 Системы с управлением по обратной связи (замкнутые системы) управления) ОУ y(t) u(t) Рег-р e(t) r(t) ЗУ Сущность принципа разомкнутого управления состоит в том, что сигнал управления вырабатывается только на основе заданной программы без анализа состояния объекта и действующих на него возмущений, т.е. при этом совершенно не используется рабочая информация. Задание r(t) вырабатывается специальным техническим устройством – задатчиком программы (ЗУ). Близость y и r в разомкнутых системах обеспечивается только конструкцией элементов системы и выбором значений их параметров. Несмотря на очевидные недостатки, этот принцип используют очень широко из-за быстродействия (копировальные системы, счетно-решающие устройства). u r d y ОУ ЗУ П 2 Системы разомкнутого управления Принцип компенсации (управление по возмущению). Если возмущающие воздействия f настолько велики, что разомкнутая цепь не обеспечивает требуемой точности выполнения задания, то для повышения точности иногда возможно, измерив возмущения, ввести по результатам измерения коррекцию сигналов управления u. Корректирующие сигналы компенсируют отклонения регулируемой величины y от заданного значения r, вызываемые возмущениями f. Используется рабочая информация только о внешнем воздействии. Принцип управления по возмущению обеспечивает высокое быстродействие системы. Однако во многих случаях не удается осуществить измерение всех действующих на ОУ возмущений. В этих случаях точность регулирования не высока. ОУ входное воздействие u r сигнал возмущения d выходной сигнал y Рег-р П ЗУ u1 u2 3 Системы с компенсацией возмущений 4 КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОУ РЕГ-Р d y(t) u(t) u 2 (t) u 2 (t) r(t) РЕГ-Р e(t) ЗУ ! СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ (САУ) 1. СИСТЕМЫ С УПРАВЛЕНИЕМ ПО ОБРАТНОЙ СВЯЗИ (ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ) 2. СИСТЕМЫ РАЗОМКНУТОГО УПРАВЛЕНИЯ 3. СИСТЕМЫ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ВОЗМУЩЕНИЙ ! СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ (САР) СИСТЕМЫ С УПРАВЛЕНИЕМ ПО ОБРАТНОЙ СВЯЗИ (ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ) 1) системы стабилизации (r=const); 2) системы программного управления; 3) следящие системы (y=r). – В системах стабилизации задающее воздействие постоянно R=const; – В системах программного управления оно изменяется по заранее заданному закону; – В следящих системах оно тоже изменяется, но закон изменения заранее не известен. В последнем случае задающее воздействие поступает на систему извне и задачей системы является обеспечение слежения выходной величиной объекта за изменяющейся задающей величиной так, чтобы все время поддерживалось равенство y=r. ПО ХАРАКТЕРУ ИЗМЕНЕНИЯ ЗАДАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ САУ РАЗДЕЛЯЮТСЯ НА ТРИ ВИДА: 1 Система стабилизации ОУ y(t) u(t) Рег-р e(t) r(t)=уровень воды 3 Следящая система ОУ y(t) u(t) Рег-р e(t) r(t)=? ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ ТАУ Теория автоматического управления САУ Система автоматического управления САР Система автоматического регулирования ЛСАР Линейная система автоматического регулярования ОУ Объект управления УУ Устройство управления ЗУ задающее устройство Рег-р регулятор ИМ исполнительный механизм РО регулирующий орган Д датчик (преобразователь) У усилитель П преобразователь Объект изучения: система стабилизация Принцип управления: замкнутая система управления Цель дисциплины : освоить методы анализа и синтеза систем управления. Задачами изучения дисциплины являются принципы построения систем автоматического регулирования и управления, модели объектов во временной и частотной областях, методы анализа устойчивости линейных систем, оценки качества процессов регулирования. Дисциплина «ЛИНЕЙНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ» Задачи теории автоматического управления Общие динамические свойства автоматических систем, определяются динамическими свойствами отдельных элементов системы, способами их соединения, характером передачи сигналов. Эти общие динамические свойства автоматических систем, относящиеся, в равной степени к системам различной природы и разнообразных конструкций являются, предметом изучения ТАУ. ТАУ является теоретической базой создания автоматических систем в различных отраслях техники. Основными задачами ТАУ являются исследования статических и динамических свойств автоматических систем и разработка систем, удовлетворяющих заданным техническим требованиям. Исследование процесса работы некоторой автоматической системы заданной своей структурой и элементами, при различных воздействиях составляет задачу анализа . В задачу анализа входит исследование устойчивости систем, исследование динамического и установившегося отклонений, т.е. исследование качества процессов управления. Задача синтеза. Намного сложнее задачи анализа. Она охватывает само построение САУ: выбор схемы управляющегося устройства, его отдельных элементов и параметров, обеспечивающих выполнение требований, предъявляемых к автоматическим системам. Задачи анализа и синтеза линейных автоматических систем к настоящему времени в значительной степени решены. Что же касается решения этих задач для нелинейных САУ, то пока оно далеко от завершения. В основном нелинейные методы позволяют решать лишь частные задачи для узкой области изменения конструктивных параметров. ДВЕ ЗАДАЧИ Теории Автоматического Управления АНАЛИЗ СИНТЕЗ Курс лекций ЛСАР: 1. Временная область описания системы управления. 2. Комплексная область описания системы управления 3. Частотная область описания системы управления 4. Анализ устойчивости системы управления 5. Анализ оценок качества системы управления. Курс лекций ЛСУ: 1. Синтез корректирующих устройств. 2. Синтез регуляторов. 3. Синтез наблюдающих устройств. NOTE: Всё, что представлено на слайдах – только конспект лекций. Для более полной информации необходимо использовать рекомендуемую литературу. |