Принцип действия систем автоматического регулирования и управления

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • основные понятия и определения автоматики;
• • основные принципы построения простейших САР с регуляторами прямого и косвенного действия;
• • математические методы для автоматизации инженерных расчетов;

уметь

• • составлять функциональные и структурные схемы САР;
• • анализировать процессы в простейших САР в статическом и динамическом режимах;
• • применять математические методы для автоматизации инженерных расчетов;

владеть

• • терминологическим аппаратом, необходимым при создании и анализе САР;
• • методами математического описания САУ и моделирования процессов в простейших САР с помощью математического пакета MathCad;
• • методами моделирования процессов в простейших САР с помощью математического пакета MATLAB.

Основные понятия теории автоматического управления

Повышение производительности труда, улучшение условий работы обслуживающего персонала и повышение качества выпускаемой продукции в большой степени зависят от механизации и автоматизации производства [1—5, 11]. Нет ни одной отрасли народного хозяйства, в которой системы автоматического регулирования не находили бы применение. Автоматизация производственных процессов, систем электроснабжения и транспорта является одним из самых прогрессивных направлений современной науки и техники. При этом для осуществления автоматизации технологических процессов в сельскохозяйственном производстве необходимо знать технологию производства, переработки и хранения сельскохозяйственной продукции, а также используемые средства механизации. Для автоматизации технологических процессов в металлургии необходимо знать металлургическое производство: работу доменных и мартеновских печей, коксовых батарей, нагревательных колодцев и прокатных станов. Система автоматического ведения поезда требует знания принципов регулирования движения железнодорожного транспорта и работы механизмов и устройств всего подвижного состава.

Итак, для автоматизации производственных процессов в любой отрасли народного хозяйства нужно хорошо знать соответствующий технологический процесс. Кроме этого необходимо знать теорию и принципы работы систем автоматического управления и контроля, а также устройство и принцип действия отдельных элементов (технических средств), из которых состоят системы автоматического управления и контроля.

Автоматика (др.-греч. automates — самодействующий) — область науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения систем управления (СУ), действующих без непосредственного участия человека. Автоматика является частью науки, называемой кибернетикой.

Кибернетика (др.-греч. kybernetike — искусство управления) — область науки, изучающая законы получения, хранения, передачи и переработки информации сложными развивающимися системами (в том числе техническими, биологическими и др.) и разрабатывающая общие принципы построения СУ.

Система автоматического управления (САУ) представляет собой совокупность объекта управления (ОУ) и устройства управления (УУ), связанных между собой каналами связи (КС) и взаимодействующих в процессе работы для достижения определенной цели управления. Процесс управления в этом случае происходит без участия человека-оператора и называется автоматическим.

Порядок взаимодействия ОУ и УУ задается алгоритмом управления. Слово «алгоритм» обозначает предписание, которое определяет содержание и последовательность действий, приводящих к желаемому результату. В случае когда процесс управления сводится к автоматическому регулированию или поддержанию на постоянном уровне одного или нескольких заданных параметров ОУ, такую систему и называют собственно системой автоматического регулирования (САР) или системой стабилизации.

Если заданная для регулирования величина изменяется по определенной, заранее установленной программе, то такую систему называют системой с программным управлением. Если же заданная величина может изменяться в широких пределах и, но произвольному закону, то такую систему называют следящей системой.

Теория автоматического управления (ТАУ) — более широкое понятие по сравнению с теорией автоматического регулирования. Теория автоматического управления начала формироваться во второй половине XIX в. сначала именно как теория автоматического регулирования: с появлением паровых машин возникла настоятельная потребность в регуляторах, поддерживающих устойчивый режим работы паровой машины. Тогда же начались научные исследования в области теории управления техническими объектами.

В дальнейшем оказалось, что результаты и выводы этой теории могут быть применимы к управлению объектами различной природы с различными принципами действия. В настоящее время сфера ее влияния расширилась и первоначальное название «теория автоматического регулирования» было заменено на более широкое понятие «теория автоматического управления» [10].

Если в сложных системах часть операций выполняется автоматически, но человек-оператор участвует в процессе управления и также выполняет часть операций, то такое управление считают автоматизированным.

Объектом управления могут быть поле, водоем, ферма, теплица, помещение, машина, агрегат и другие установки, производственными процессами в которых управляют устройства управления. В сельскохозяйственном производстве к ОУ относятся и биологические объекты: животные, птицы, растения и др. Однако из-за отсутствия датчиков, контролирующих их параметры, в качестве ОУ обычно принимают совокупность технологического и биологического объектов: ферму с крупным рогатым скотом, птичник с птицами, теплицу с растениями и т. п. В металлургии объектами управления могут быть как отдельные механизмы, например, прокатного стана (валки, нажимное устройство, рольганги), так и весь прокатный стан в целом.

Из сказанного становится ясно, что современные системы автоматического управления представляют собой сложные комплексы взаимодействующих технических устройств и элементов, работа которых основана на различных физических принципах. Эти устройства имеют разные конструктивные исполнения и технические характеристики. При изучении курса теории автоматического управления невозможно подробно рассмотреть все имеющиеся устройства, поэтому основное внимание мы будем уделять не техническим свойствам отдельных элементов, а функциям, которые они выполняют в системе управления, характеру связей между ними и общим закономерностям в системах регулирования. Начнем наше более подробное знакомство с САУ с простейших систем автоматического регулирования (САР) [8, 9].