Лекция по ОснАУ. лекции ОАУ часть1. Основы автоматического управления
 Скачать 1.06 Mb.
|
|
Лекционный курс ОСНОВЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ. Часть 1 ВведениеВ курсе изложен материал дисциплины “Основы теории управления”, связанный с расчетами, анализом и синтезом систем управления (СУ), описываемых линейными непрерывными моделями. Современные СУ различаются функциональным назначением, сложностью, внутренней организацией. На разных этапах проектирования СУ описываются моделями различных классов и форм представления. Развитие теории управления последние десятилетия как раз и связано с появлением новых методов анализа и синтеза таких СУ; в основном эти методы ориентированы на компьютерные технологии. Тем не менее, изложение курса теории управления традиционно включает в себя достаточно подробное изучение методов анализа и синтеза СУ с типовой структурой (одноконтурных, реализующих принцип отрицательной обратной связи), которые на определенных этапах проектирования могут быть адекватно описаны непрерывными моделями с линейными стационарными детерминированными операторами [1], [2], [3], [4]. Именно на таких СУ прежде всего рассматриваются основополагающие понятия, характеризующие поведение СУ, проводится анализ и синтез переходных и установившихся режимов, изучается влияние на свойства СУ отдельных операторов и параметров функциональных звеньев. Частотный подход к проектированию динамических систем различного назначения был преобладающим в “докомпьютерную” эпоху. Внедрение автоматизированного расчета современных СУ сопровождалось и разработкой новых методов и методик анализа и синтеза, ориентированных именно на использование компьютеров. Тем не менее, продолжал развиваться и частотных подход, но уже также с ориентацией на автоматизацию расчетов [5], [6], [7]. Основной причиной сохранения и развития частотных методов расчета СУ является информативность частотной характеристики (ЧХ) в плане отображения участия отдельных звеньев СУ на формирование ЧХ. Это позволяет устанавливать связь вида операторов и значений параметров звеньев системы с ее свойствами и характеристиками. Сказанное определило преобладание частотного подхода к анализу и синтезу СУ в предлагаемом учебном пособии. С методических позиций освоения методов теории управления, анализ СУ “объяснительного” типа, при котором устанавливается связь характеристик и показателей качества динамической системы с ее организацией и значениями параметров, может быть понят и освоен студентами, если до использования компьютера будут изучены характеристики типовых звеньев и способы “ручного” построения ЧХ. При этом становится ясным, как формируется ЧХ под влиянием звеньев и их операторов. Перечисленные выше учебники хотя и освещают частотный подход к расчету СУ, тем не менее недостаточно подробно описывают сам процесс построения и формирования ЧХ. Одна из основных целей данного курса – восполнение этого недостатка. Специфика использования частотного подхода к расчету СУ заключается в том, что поведение СУ непосредственно оценивается во временной области, в то время как анализ и синтез осуществляются в частотной области. Это требует хорошего понимания взаимосвязи временных и частотных характеристик и показателей качества. Поэтому в курсе отдельно представлен материал, специально посвященный взаимосвязи временных и частотных характеристик СУ. В курсе нашли отражение следующие вопросы. Дано понятие процесса управления и приведены его необходимые составляющие. Изложены основные принципы, на которых строятся СУ, дана их классификация. Рассмотрены различные типы поведения объектов и СУ; дано понятие типового поведения СУ. Рассмотрены различные формы представления линейных непрерывных моделей СУ. Введено понятие СУ с типовой структурой и представлены основные характеристики, используемые при расчетах таких СУ. Даны типовые звенья СУ и их характеристики в частотной и временной областях. Описан процесс построения логарифмических частотных характеристик и рассмотрено влияние значений параметров звеньев на вид характеристик звеньев. Подробно изложен процесс построения логарифмических частотных характеристик соединений звеньев для СУ с типовой структурой; при этом сделан акцент на выявление влияния параметров отдельных звеньев на характеристику всей СУ. Описано действие обратной связи на различных диапазонах частот СУ. Отдельно рассмотрены вопросы соответствия временных и частотных характеристик для установления взаимосвязи полосы пропускания и быстродействия, что необходимо для анализа и синтеза СУ. Рассмотрены установившиеся режимы в СУ при отработке типовых степенных воздействий; приведен расчет установившихся ошибок. Сделан анализ соответствия астатизма СУ и ее функционального назначения. Описаны вопросы синтеза СУ по требованиям к установившимся процессам. Рассмотрены вопросы анализа устойчивости СУ. Даны алгебраические и частотные критерии устойчивости. Описана методика синтеза коррекции в частотной области с целью обеспечения устойчивости и качества переходных процессов, основанная на формировании типовой частотной характеристики СУ. Развитие программных средств (ПС) для расчетов СУ характеризуется как созданием мощных и достаточно универсальных пакетов прикладных программ, так и разработкой специализированных ПС, решающих более ограниченный круг задач. Такие достоинства универсальных ПС, как широта класса моделей и состава решаемых задач, потенциальная гибкость формирования методик расчета часто оборачиваются рядом недостатков, к которым следует отнести трудности в освоении ПС, слабую поддержку методическим обеспечением, их высокую стоимость. В свою очередь, именно благодаря ориентации на более узкий круг моделей и задач и конкретные методы расчетов специализированные ПС могут дополняться развитым методическим обеспечением. При сопоставлении универсальных и специализированных ПС наблюдается вполне естественная ситуация, когда круг задач, который может быть в принципе решен на ПС обоих типов, на специализированных решается значительно эффективнее и прежде всего по временным затратам. Именно временной фактор при освоении и использовании ПС в учебном процессе, делает выбор в пользу специализированных ПС более предпочтительным. К характерным представителям универсальных ПС можно отнести пакет MATLAB с его многочисленными расширениями [8], [9], [10]. Эффективным специализированным ПС для проектирования СУ является программно-методическое обеспечение на базе программы CLASSiC (ComplexLinearAnalysisandStructureSynthesisinControl), разработанное на кафедре автоматики и процессов управления СПбГЭТУ “ЛЭТИ” [5], [11]. Благодаря удобному интерфейсу и развитой методической поддержке ПС CLASSiC получило широкое распространение, в частности в вузах России и за рубежом (имеются версии с диалогом на русском, английском, польском, немецком и других языках) [5]. 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ. ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ 1.1. Понятия об управлении и системах управления. |