Автоматические системы управления — это комплекс аппаратного и программного обеспечения, который предназначен для управления разными процессами в границах технологического процесса, организации, производства.
Общие сведения
Прогресс промышленного производства предполагает постоянный рост производительности оборудования и различных модулей, увеличения качественных показателей товаров, уменьшения стоимости и существенного увеличения уровня безопасности, особенно для опасных производств.
Поставленные целевые установки невозможно реализовать без использования передовых систем управления, в том числе автоматических, то есть без участия человека в качестве оператора, и автоматизированных, то есть с участием человека в качестве оператора, систем управления.
Под управлением понимается такая организация технологического процесса, которая гарантирует достижение заданной цели. Теория управления считается разделом передовой науки и техники. Её базой являются как фундаментальные, общенаучные дисциплины, типа математики, физики, химии и так далее, так и прикладные дисциплины, такие как, электроника, микропроцессорная техника, программирование и так далее.
Все процессы управления, в том числе автоматические, содержат следующие основные компоненты:
- Приём информационных данных о задаче управления.
- Приём информационных данных об итогах управления.
- Выполнение анализа полученных данных.
- Оказание воздействия на управляемый объект (осуществление решения).
Таким образом, чтобы реализовать процесс управления, система управления должна обладать:
- Информационными источниками о задаче управления.
- Информационными источниками об итогах управления. Это разнообразное измерительное оборудование, датчики, детекторы и так далее.
- Оборудованием, позволяющим осуществить анализ поступающей информации и выработать решение.
- Исполнительным оборудованием, которое может воздействовать на управляемый объект и содержит в своём составе регуляторы, двигатели, усилители, преобразователи и так далее.
Автоматические системы управления
В случае, когда система управления имеет в своём составе все указанные выше компоненты, то такая система считается замкнутой. Принципом обратной связи является управление техническим объектом с применением информационных данных об итогах управления. Схема реализации такой системы изображена на рисунке ниже:
Рисунок 1. Схема замкнутой системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Когда система управления обладает структурной организацией, изображённой на этом рисунке, и работает без участия людей, то такая система считается системой автоматического управления (САУ). Если же система работает при участии людей в качестве операторов, то она считается автоматизированной системой управления.
Когда управление реализуется по заданному закону изменения объекта во времени вне зависимости от итогов управления, то это управление идёт согласно разомкнутому циклу, а сам процесс управления может считаться программным управлением. К системам, использующим принцип разомкнутого цикла, можно отнести промышленные конвейерные и роторные линии, станки с числовым программным управлением (ЧПУ) и так далее.
Автоматические системы управления могут быть разделены на следующие типы:
- САУ, то есть системы автоматического управления.
- САР, то есть системы автоматического регулирования
- СС, то есть следящие системы.
Следует отметить, что системы САР и СС считаются подмножествами САУ.
Автоматическая система управления, которая обеспечивает неизменность (постоянство) какого-нибудь значения (или группы значений) в управляемом объекте, именуется системой автоматического регулирования (САР). Системы автоматического регулирования являются самым используемым видом автоматических систем управления.
В качестве примера системы автоматического управления, наиболее соответствующей её определению, можно привести систему управления, которая обеспечивает вывод ракеты на околоземную орбиту. В качестве управляемой величины здесь может выступать, к примеру, угол между осью ракеты и нормалью к земле, как показано на рисунке ниже:
Рисунок 2. Система управления, которая обеспечивает вывод ракеты на околоземную орбиту. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рисунок 3. График. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В теории управления техническими устройствами иногда удобнее разбить систему на отдельные звенья, соединённые в сетевые структуры. В самом простом варианте система состоит из одного звена, на вход которого поступает входной сигнал (вход), а на выходе формируется отклик системы (выход). Такая система изображена на рисунке ниже:
Рисунок 4. Система из одного звена. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В теории управления техническими системами применяют два главных метода отображения звеньев систем управления:
- Представление в формате переменных «вход» и «выход».
- Представление в формате переменных состояния.
Представление в формате переменных «вход» и «выход», как правило, применяется при описании сравнительно несложных систем, обладающих одним входным сигналом и одним выходным сигналом, то есть регулируемой величиной.
Сравнительно недавно широко распространилось представление в формате переменных состояния, включая технически сложные системы и многомерные САУ. На рисунке ниже изображена структура многомерной системы автоматического управления:
Рисунок 5. Структура многомерной системы автоматического управления. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Здесь $u_1(t) … u_m(t)$ являются управляющими воздействиями, то есть вектором управления, а $y_1(t) … y_p(t)$ регулируемыми параметрами системы автоматического управления, то есть вектором выхода.
Рассмотрим в деталях пример САУ, которая представлена в формате переменных «вход» и «выход» и имеет по одному входу и выходу. Представим, что структура этой системы автоматического управления составлена из определённого количества компонентов. Если сгруппировать компоненты согласно функциональному принципу, структурная схема САУ может быть представлена в следующем типовом виде:
Рисунок 6. Структурная схема САУ. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Символом ε(t) обозначена ошибка управления, то есть рассогласование на входе устройства сравнения, способного функционировать как в режиме простого арифметического сравнения (обычно это вычитание), так и в режим более усложнённых процедур сравнения. Поскольку:
$y_1(t) = y(t) • k_1$, где $k_1$ является коэффициентом усиления,
то ==> $ε(t) = x(t) — y_1(t) = x(t) — k_1 • y(t)$
Задача системы управления заключается в том, что свести ошибку управления к нулю, то есть $ε(t) → 0$. При этом необходимо помнить, что на систему управления воздействуют как внешние, так и внутренние помехи.
