Теория автоматического управления: основные понятия
Теория автоматического управления - научная дисциплина, которая изучает процессы автоматического управления объектами разной физической природы.
Основные понятия теории автоматического управления:
- Автоматика - отрасль науки, в состав которой входит теория и практика автоматического управления, принципы построения автоматических систем.
- Объект управления - устройство или физический процесс, который подвергается управлению для получения требуемого результата. Взаимодействие с объектом управления осуществляется посредством подачи на его вход управляющего воздействия, в данном случае на выходе получается измененный параметр.
- Управление - сигнал (воздействие), который подается на вход объекта управления и обеспечивает протекание процесса, обеспечивающее, в свою очередь, достижение цели управления на выходе.
- Цель управления - желаемое протекание процессов в объекте управления и получение необходимого параметра на выходе.
- Устройство управления - совокупность устройств, при помощи которых осуществляется управление входами объекта.
- Регулирование - частный случай управления, цель которого заключается в поддержании на установленном уровне одного или нескольких выходов объекта управления.
- Задающее воздействие - воздействие, которое определяет требуемый закон регулирования.
- Ошибка регулирования - разность между требуемым значением регулируемой величины и ее текущим значением.
- Возмущающее воздействие - процесс на входе объекта управления, который является помехой для управления.
- Система автоматического управления. Системы автоматического управления делятся на замкнутые, разомкнутые и комбинированные. В свою очередь разомкнутые системы управления делятся на системы управления по возмущению - устройство управления вырабатывает управляющее воздействие на основе информации по величине возмущающего воздействия; системы программного управления - устройство управления выдает управляющее воздействие, при этом не получает данных о состоянии системы. В замкнутых системах устройство управления вырабатывает управляющее воздействие на основе измеренной информации о состоянии системы.
История развития теории автоматического управления
Сначала теория автоматического управления создавалась с целью изучения статики и динамики процессов автоматического управления техническими объектами. С необходимостью построения регуляторов скорее всего первыми столкнулись создатели высокоточных механизмов, например, часов. Непрерывно действующие помехи приводили к отклонениям от нормального хода, что было недопустимо по условиям точности. Для увеличения точности в состав часов стали вводиться регуляторы. Арабы оснастили поплавковым регулятором уровня водяные часы, а в 1675 г. X. Гюйгенс встроил в часы маятниковый регулятор хода.
Другой причиной начала активного построения регуляторов являлась необходимость управлять процессами, которые подвергались таким сильным помехам, что утрачивалась не только точность, но и работоспособность системы. Предшественниками регуляторов для подобных условий могут считаться центробежные уравнители скорости в водяных мукомольных мельницах. Активное развитие этих направлений началось только 18 и 19 веках, в эпоху промышленного переворота в Европе.
Первыми промышленными регуляторами являются: автоматический поплавковый регулятор питания котла паровой машины, который был построен в 1765 г. в Барнауле; центробежный регулятор скорости паровой машины, на который в 1784 г. получил патент английский механик Дж. Уатт; первое программное устройство управлении ткацким станком с помощьюперфокарты, построенное в 1808 г. Ж. Жаккаром. Коренные изменения в подходе к проблеме и в методологии исследований обусловили три фундаментальные работы Максвелла:
- «О регуляторах» (1866).
- «Об общей теории регуляторов» (1876).
- «О регуляторах прямого действия» (1877).
Усложнение системы, которое связано с увеличением интенсивности процессов, скоростей, а также требований к точности и качеству, является причиной возникновения необходимости создания более эффективных методов исследования. Таким образом мысли исследователей обращаются к частотным методам, которые позволяют сочетать аналитические и наглядные графические приемы, теоретические и экспериментальные методы исследования. В 1932 году появляется работа Найквиста, в которой рассматривается критерий устойчивости радиотехнических усилителей с обратной связью, который основан на свойствах частотной характеристики разомкнутой системы. В 1946 г. Г. Воде и Л. Мак-Кол ввели логарифмические частотные характеристики. Г. Браун, А. Холл, Д. Кемпбелл, Г. Честнат, завершили разработку частотных методов синтеза и расчета систем, придав им такую форму, которая была удобна для инженерных расчетов.
