В. А. Тюков электромеханические системы утверждено Редакционно

• Название: В. А. Тюков электромеханические системы утверждено Редакционно
• Дата: 01.02.2020
• Размер: 5.98 Mb.
• Имя файла: tyukov-va-elektromehanicheskie-sistemy_aa8d4e36202.doc
• Тип: Учебное пособие; #106696
• страница: 1 из 81

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– –––––––––––––––––––––


В. А. ТЮКОВ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Утверждено

Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2006

УДК
Рецензенты: В.М. Кавешников, канд. техн. наук, доц., Г.А. Шаншуров, канд. техн. наук, доц.
Работа подготовлена на кафедре электромеханики для студентов направления «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»

Тюков, В.А.

Электромеханические системы: учеб. пособие / В.А. Тю-
ков. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – с.

• 
  учебном пособии излагаются основы теории электромехани-ческих устройств, рассмотрены их свойства, приведены схемы тех-нических систем. Значительное внимание уделено вопросам управ-ления потоком энергии. Учебное пособие предназначено для студен-тов направления «Электротехника, электромеханика и электротех-нологии», ориентированных на специальность «Электромеханика».
  

Новосибирский государственный технический университет, 2006
2

ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ СИСТЕМ

• 
  последние годы методологию выбора научно обоснованных ре-шений технических и социальных проблем связывают с такими поня-тиями, как общая теория систем, системный подход, комплексный подход, системный анализ, схемотехника и др.
  

Создание сложных технических систем, проектирование народно-хозяйственных комплексов и управление ими, анализ экологической ситуации и многие другие направления инженерной, научной и хозяй-ственной деятельности требовали организации исследований, которые носили бы нетрадиционный характер.
Общая теория систем возникла как обобщение именно тех принци-пов и закономерностей, которые в значительной степени могут быть применимы к объектам разной природы.
Теория систем изучает общность признаков и свойств сложных систем, методы их математического описания независимо от того, объ-ектом изучения, каких научных дисциплин являются эти системы. Именно поэтому общую теорию систем называют междисциплинар-ным научным направлением.
Фундаментальным понятием теории систем является понятие «сис-тема». Несмотря на то, что термин «система» появился в научной ли-тературе давно, он является фактически столь же неопределенным, как

• 
  «множество» или «совокупность». Буквально система – целое, со-ставленное из частей. Системой считается объект, обладающий че-тырьмя свойствами: целостностью, исчислимостью, наличием сущест-венных связей между элементами, наличием организации интегратив-ных качеств.
  

Элемент – простейшая неделимая часть системы или предел члене-ния системы при решении конкретной задачи.

Подсистема – множество более крупных, чем элементы, но более детальных, чем система в целом, составляющих. Возможность деления на подсистемы связана с вычленением совокупностей взаимосвязан-ных элементов, способных выполнять относительно независимые це-ли, т.е. обладающих свойством целостности.
При этом надо иметь в виду, что элементы существуют лишь в сис-теме. Вне системы – это объекты, которые обладают лишь системозна-

3

чимыми свойствами, дающими этому объекту потенциальную возмож-ность быть включенным в систему.

Система характеризуется тем, что между ее элементами или их свойствами реализуются устойчивые связи, которые по мощности ( си-ле) превосходят связи (отношения) данных элементов с элементами, не входящими в данную систему. Указанное свойство отличает систему от простого набора элементов и выделяет ее из окружающей среды в виде целостного образования.
Связь – физический канал, по которому обеспечивается обмен ме-жду элементами системы и системы с окружающей средой. Обмен возможен веществом, энергией, информацией и т.д. По физическому наполнению связи бывают вещественными, энергетическими, инфор-мационными, смешанными и физически не наполненными. К физиче-ски ненаполненным связям относятся связи типа: равно (=), больше (>), меньше (<), принадлежит (∈), не принадлежит (∉) и т.д. По на-правлению различают связи прямые, обратные и нейтральные.

g1			g1
	2	1	2
1
			g2
		в
a			g1=g2
g1
			g
1	2	1	2
б		г
g2
Виды связей: а – прямая; б –	прямая и обратная; в –		прямая и контрсвязь;
	г –	нейтральная

Важной характеристикой связи является ее мощность (сила). Сис-
тема существует как некоторое целостное образование тогда и только тогда, когда мощность (сила) существенных связей между элементами системы больше, чем мощность (сила) связей этих элементов с окру-жающей средой.
Наиболее просто оценивается сила (мощность) энергетических свя-зей между элементами по интенсивности потоков энергии. Для этого

4

определяются общие количества энергии, циркулирующие в системе в единицу времени и количество энергии, проходящее через определен-ный канал связи между элементами за ту же единицу времени. Их от-ношение и покажет мощность связи.
КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ СИСТЕМ
Как правило, на первое место выдвигают классификацию систем по их происхождению. По этому признаку можно выделить три класса систем.

Естественные системы, существующие в объективной действи-тельности, т.е. в живой и неживой природе, возникающие в результате естественных процессов, в которых связи образуются «природным» образом.
Искусственные системы, созданные человеком как средство дос-тижения поставленной цели, в которых связи образованы в результате человеческой деятельности, хотя некоторые из них могут иметь есте-ственную природу (машины, механизмы, приборы, научные теории, системы знаний о природе и т.п.).
Смешанные системы. В качестве примеров подклассов смешан-ных систем можно привести экономические подсистемы (комплексы машина-человек-оператор), биотехнические системы, в которые входят живые организмы и технические средства, автоматизированные систе-мы управления (человеко-машинные системы управления) и т.п.
Методы теории систем применимы к любым отраслям знаний. По-этому системы можно классифицировать по виду отражаемого объек-та, выделяя среди них технические, биологические, социальные, эконо-мические и т.п.
По отношению к движению все системы можно разделить на два класса. Характеристики систем могут изменяться в процессе ее функ-ционирования. В этом процессе могут изменяться связи, которые мо-гут возникать и исчезать.

5

Таким образом, в каждый момент времени система характеризуется определенным набором характеристик.
Совокупность всех характеристик каждого элемента системы и связей в ней в определенный момент времени называют состоянием системы.
При функционировании системы ее состояние может изменяться, т.е. система находится в движении.
Динамическими называют системы, структура и связи которых изменяются в течение рассматриваемого интервала времени.
Статическими называют системы, не подверженные изменениям во времени.
Реальные системы являются динамическими, поэтому статические системы – это абстракции, идеализации, используемые при моделиро-вании таких свойств систем, изменение которых во времени для рас-смотрения не существенно.
УПРАВЛЕНИЕ В СИСТЕМАХ
Все технические и технологические системы должны быть управ-ляемы. Под управлением будем понимать процесс организации такого целенаправленного воздействия на структуру системы и ее связи, в ре-зультате которого изменяется функционирование системы и обеспечи-вается достижение поставленной цели.
Система, в которой осуществляется процесс управления, называет-ся системой управления.
В общем виде структура управления технической и технологиче-ской системами представлена на рисунке.

6

	Среда
Среда		Среда
	E(τ)
Х(τ)	Объект
		Y (τ)
U(τ)	управления

Измерительная
система E_x(τ)

Х_u (τ)

	Измерительная							(τ)	Измерительная
						Eu
		система								система
										Yu(τ)
		(τ)
	Uu
			Управляющее
					устройство

5. 
   _y (τ)
   

ϕ	z
Алгоритм	Цель
Схема системы управления

В процессе управления система динамически взаимодействует с внешней средой и может быть количественно оценена через свои вхо-ды и выходы. Вектор входных параметров обозначим Х_вх ( τ) , а выход-ных

– Yвых(t ) .

Обычно среди векторов входных параметров выделяются следую-
щие группы переменных параметров.
Входные переменные (контролируемые возмущения) Х( τ) . К этой
группе относятся такие переменные, которые измеряются, а следова-
тельно, и наблюдаются, но возможность воздействия на них отсутству-
ет. В связи с этим данную группу входных параметров называют ино-
гда контролируемыми возмущениями.	U (τ).Под
Управляющие переменные (управляющие воздействия)
управляющими переменными понимают такие входные	параметры,
7

с помощью которых можно целенаправленно влиять на вектор выход-
ных параметров. Отметим, что управляющие переменные всегда на-
блюдаемы и остаются ресурсы управления для их изменения.
	Возмущающие переменные (возмущения) Е( τ) – случайным обра-
зом	изменяющиеся во времени неконтролируемые параметры. Относи-
			выдвигаются обычно лишь определенные предпо-
тельно входа		Е(τ)
ложения, гипотезы, но непосредственно этот вход не измеряется.
В частности –		это колебания нагрузки.
	Таким образом,		объект управления имеет три входа: наблюдаемый,
но не управляемый			Х(τ) , управляемый, а следовательно, и наблюдае-
мый U (τ) и ненаблюдаемый Е(τ) . Все эти входные параметры влияют

на выходные, т.е. в любой момент времени выходные параметры объ-

екта управления являются функцией векторов Х

Y (τ) (τ) , U (τ) , Е(τ) .

Измерительные системы, указанные на рисунке, позволяют кон-
тролировать некоторые переменные векторы Х τ τ τ или их (),U(),Y()

комбинации. В большинстве случаев размерность этих векторов, ха-рактеризующих истинное состояние процесса, больше соответствую-щей размерности их измеренных значений Х Последнее свяи,Uи,Yи.-

зано с тем, что часть переменных невозможно измерить из-за отсутст-
вия необходимых технических средств измерения, а некоторые их них
в принципе измерить невозможно. При этом неопределенность вносит-
ся погрешностями измерений, случайными возмущениями, действую-
щими на измерительные системы Е	у, Ех, Еи .

Эта информация всегда является неполной вследствие ограничен-ных возможностей всякой системы сбора информации и необходимо-сти затрат на нее.
В процессе исследования систем обычно приходится рассматри-вать не систему (чаще ввиду сложности), а формальное описание ее существенных особенностей. В этом случае реальная система заменя-ется моделью. Разработка моделей и последующее их использование называют моделированием систем. В основе моделирования лежат ма-