АВТОМАТИКА и УПРАВЛЕНИЕ КУРС ЛЕКЦИЙ Р-3 2012 -13

АВТОМАТИКА и УПРАВЛЕНИЕ КУРС ЛЕКЦИЙ Р-3 2012 -13 уч. год Проф. М. М. Чиркова

ТЕМА 1. 2. 3. Введение. Предмет теории и практики автоматического управления. Упрощенное представление системы управления. Объект и автоматическое управляющее устройство. Основные термины. Объекты, регулируемые координаты и управляющие воздействия.

ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ - (ТАУ) научное направление, изучающее с помощью математических моделей (или натурных испытаний) - свойства объектов (реакции на разные типы воздействий); - ринципы управления объектами (алгоритмы управления, т. е. на основании какой информации о состоянии объекта формировать управляющий сигнал); - принципы построения автоматического управляющего устройства; - анализ качества систем автоматического управления. ПРАКТИКА УПРАВЛЕНИЯ - методика проведения натурных экспериментов и обработки результатов, Лекция 1 способы представления результатов эксперимента.

Всякий процесс управления (техническим, биологическим, социальным объектом) носит информационный характер, т. к. подразумевает сбор, обработку (анализ), передачу информации от одного блока системы управления к другому. Для теоретического изучения возможных процессов в системах управления требуется их (процессов) алгоритмизация, т. е. представление процессов в виде некоторой последовательности связанных друг с другом и причинно обусловленных математических и логических операций. Математическое описание системы позволит получить качественную и количественную оценку свойств системы управления 1. Лекция 1

Основная задача ТАУ состоит в разработке алгоритмов управления объектами, но эти разработки должны базироваться на глубоком изучении свойств управляемого объекта и адекватном математическом описании его работы. Y, X 1, …. , Xn , F 1 , … Сноска 1 Качественные оценки - на вопрос “Процессы в системе носят колебательный характер? ” ответить “Да” или “Нет”. Количественные оценки - способы, позволяющие ответить на этот вопрос не только “Да”, но рассчитать частоту и амплитуду колебаний.

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ, решаемые при проектировании системы управления 1. Формулировка цели управления. 2. Выбор и обоснование критериев эффективности управления. 3. Анализ внешних условий – среды функционирования системы. 4. Анализ характеристик объекта управления. 5. Сбор, оценка достоверности и передача информации, необходимой для выработки управляющего воздействия. 6. Анализ качества работы системы. 7. Разработка методов обеспечения надежности систем ы. Лекция 1

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ, решаемые при проведении натурных экспериментов 1. Выбор среды для проведения экспериментов 2. Методика проведения натурных экспериментов 3. Обработки результатов, 4. Способы представления результатов эксперимента.

Цель (или задача) управления зависит от того, каким объектом будет управлять автоматическое управляющее устройство. Пример 1. Объект управления - судовая энергетическая установка дизель-генератор. Эта установка предназначена для обеспечения энергией судовое электрооборудование. Некоторые потребители требуют качественной энергии – стабильного напряжения и частоты (датчики, компьютеры, радиостанция, …). Для этой ситуации проектируют СИСТЕМУ СТАБИЛИЗАЦИИ контролируемых параметров объекта (или регулируемых координат объекта) – величины U и частоты f вырабатываемого напряжения, которые без системы управления сильно зависели бы от потребителей (f), Ответ на 1 вопрос. Регулируемые координаты /переменные параметры Желаемые значения U (вольт), f (Гц) Идеальная ситуация Статическая ошибка при конкретной нагрузке I ном. Лекция 1 2 I ном. Реальная ситуация 3 I ном. Количество потребляемой энергии, I (A) Характеристики, отражающие статику системы стабилизации

Пример 2. Объект управления - электродвигатель, предназначенный для поворота на заданный угол φо тяжелой массы, жестко закрепленной на его валу (винт, руль, антенна, …). Заданный угол поворота вала двигателя может со временем меняться. φо – случайная функция времени. Некоторые объекты требуют высокой точности установки угла (антенны – сотые доли градуса, а руль ± 1 ÷ 0. 5 о). Для этой ситуации проектируют СИСТЕМУ СЛЕЖЕНИЯ ЗА ИЗМЕНЕНИЕМ ЗАДАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ – заданного значения переменного параметра (или регулируемой координаты объекта – величины φо). Регулируемая координата или переменный параметр (факт) φ Реальная ситуация φ = φо 1 φо , φ Идеальная ситуация Динамическая ошибка φо 1 Статическая ошибка φ (t) Статическая ошибка φо 1 Лекция 1 Заданное значения φо t пп Характеристики, отражающие статику и динамику системы слежения. В чем различие наших интересов при анализе статики систем стабилизации и слежения? t, сек

2+3. Выбор и обоснование критериев эффективности (качества) процесса управления зависит от цели и, соответственно, от назначения системы. Для системы стабилизации – жесткие требования на статические ошибки и менее жесткие на динамические показатели качества (динамические ошибки, длительность переходного процесса). Для системы слежения – более жесткие требования накладываются на динамику системы, особенно на полосу пропускания частот. R – отношение амплитуд выходного и входного сигнала (на входе - гармоническое воздействие) – Ay /Ax Желаемая реальная Полоса пропускания частот F 1 Лекция 1 f 2 f 3 Частотная (динамическая) характеристика системы Почему интересуются частотной, а не переходным процессом? Какие особенности можно ожидать от системы с пунктирной характеристикой? f

3. Каждый объект функционирует в своей среде, которую предсказать невозможно. Некоторые объекты быстро и сильно реагируют на изменение внешней среды, т. е. их коэффициент чувствительности ∆У/ ∆X велик (∆У – изменение состояния объекта, ∆X – изменение состояния внешней среды) Например, объект генератор Y – напряжение на шинах генератора, X – потребители энергии. ∆У – изменение состояния объекта – падение напряжения на шинах генератора, ∆X – изменение состояния внешней среды – изменение потребляемого тока, изменение количества потребителей.

4. Классификация элементов (в том числе и объектов) по их реакции на типовое ступенчатое или гармоническое воздействие Х(t) U(t) y(t, x(t)) Y(y 1(t), y 2(t), …) y(t) X = sin ωt y Aх X ∆y t пп ∆x t Ay t ∆φ ω = ω1 → R 1, ∆φ1, R 1 = Ax/Ay t

ПРИМЕРЫ ОБЪЕКТОВ координаты регулирования Y(y 1, y 2, . . . ) и управляющие воздействия U (u 1, u 2, …) • • Массы: антенна, винты, рули направления, высоты, …(угол поворота, скорость поворота - изменение напряжения в обмотке управления электродвигателем). Технические устройства: дизель, электродвигатель, турбины, генератор, … (частота вращения, величина и частота вырабатываемого напряжения, нагрузка, … - подача топлива, электроэнергии, изменение частоты вращения вала электродвигателя, изменение напора воды (за счет чего? ), …, отключение потребителей (? )). Тепловые объекты – печи, водогрейные котлы, реакторы (температура, давление, уровень воды, … - изменение подачи энергии, открытие клапана, включение насосов, включение электродвигателя на перемещение стержней в реакторе ). Трубопроводы: вода, газ, нефть, продукты производства хим. промышленности, … (температура, давление, вязкость, состав, … - подача энергии на подогрев, (? )). Сколько координат состояния/регулирования, управляющих устройств/контуров управления если объект - антенна? Лекция 1

УПРОЩЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ (блок-схема САУ) Задание, настройка системы / оператор Yo Управляющее воздействие на объект УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Y АВТОМАТ, РЕГУЛЯТОР U F Внешние помехи, нагрузка УПРАВЛЯЕМОЕ УСТРОЙСТВО (ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ) Информация о состоянии объекта Y(y 1, y 2, . . . ) Информация о состоянии объекта Объе U кт F Желаемое Y(i) Упра в устро ляющее йств о Yo(i) Лекция 1 реальное ее ющ я авл Упр ойство устр Явное ект объ Управляющее воздействие на объект - U тайное Задание, настройка системы - Yo Внешние помехи, нагрузка - F Из каких элементов состоит АУ? Как можно назвать систему без канала обратной связи и какие задачи она решает?

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БЛОК-СХЕМА СИСТЕМЫ Y(T)

Итоги • 1. УПРОЩЕННАЯ БЛОК-СХЕМА ИТЕМЫ • 2. ТЕРМИНОЛОГИЯ