Теория автоматического регулирования

Реферат

Автоматика как наука возникла на базе теории автоматического регулирования, основы которой были заложены в работах Дж. К. Максвелла (1868), И. А. Вышнеградского (1872-1878), А. Стодолы (1899) и др.; в самостоятельную научно-техническую дисциплину окончательно оформилась к 1940. История автоматики как отрасли техники тесно связана с развитием автоматов, автоматических устройств и автоматизированных комплексов. В стадии становления автоматика опиралась на теоретическую механику и теорию электрических цепей и систем и решала задачи, связанные с регулированием давления в паровых котлах, хода поршня паровых и частоты вращения электрических машин, управления работой станков-автоматов, АТС, устройствами релейной защиты. Соответственно и технические средства автоматики в этот период разрабатывались и использовались применительно к системам автоматического регулирования.

Интенсивное развитие всех отраслей науки и техники в конце 1-й половины 20 в. вызвало также быстрый рост техники автоматического управления, применение которой становится всеобщим.

2-я половина 20 в. ознаменовалась дальнейшим совершенствованием технических средств автоматики и широким, хотя и неравномерным для разных отраслей народного хозяйства, распространением автоматических управляющих устройств с переходом к более сложным автоматическим системам, в частности в промышленности — от автоматизации отдельных агрегатов к комплексной автоматизации цехов и заводов. Существенной чертой является использование автоматики на объектах, территориально расположенных на больших расстояниях друг от друга, например крупные промышленные и энергетические комплексы, системы управления космическими летательными аппаратами и т. д. Для связи между отдельными устройствами в таких системах применяются средства телемеханики, которые совместно с устройствами управления и управляемыми объектами образуют телеавтоматические системы. Большое значение при этом приобретают технические (в т. ч. телемеханические) средства сбора и автоматической обработки информации, т. к. многие задачи в сложных системах автоматического управления могут быть решены только с помощью вычислительной техники. Наконец, теория автоматического регулирования уступает место обобщённой теории автоматического управления, объединяющей все теоретические аспекты автоматики и составляющей основу общей теории управления.

В основных направлениях экономического и социального развития становится задача развивать производство электронных устройств регулирования и телемеханики, исполнительных механизмов, приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов, агрегатов, машин и оборудования.

15 стр., 7426 слов

Автоматическая система управления приточно-вытяжной вентиляции

... помещение. Системы регулировки и автоматики – последним элементом вентиляционной системы является электрический щит, в котором обычно монтируют систему управления вентиляцией. В простейшем случае система управления состоит ... электроэнергия и другие. В основу функционирования систем автоматического управления СКВ, как и любой системы управления, положен принцип обратной связи: выработка управляющих ...

Опыт, накопленный при создании автоматизированных и автоматических систем управления, показывает, что управление различными процессами основывается на ряде правил и законов, часть из которых оказывается общей для технических устройств, живых организмов и общественных явлений. Изучение процессов управления, получения, преобразования информации в технических, живых и общественных системах составляет предмет кибернетики, важным разделом который является техническая кибернетика, включая анализ информационных процессов управления техническими объектами, синтез алгоритмов управления и создание систем управления, реализующих эти алгоритмы.

Техническая кибернетика призвана решать задачи теоретического анализа и развития методов технического конструирования элементной базы систем управления. Выделение этого раздела технической кибернетики в самостоятельную научную дисциплину «Элементы систем автоматического управления и контроля» явилось следствием накопления большого объёма материала, посвященного исследованиям различных устройств автоматики и его систематизации.

1. История развития

Теория автоматического регулирования и управления относится к числу научных дисциплин, образующих в совокупности науку об управлении. В начале она создавалась с целью изучения закономерностей в процессах автоматического управления техническими процессами — производственными, энергетическими, транспортными и т.п. . В настоящее время основное значение теория автоматического регулирования и управления имеет для изучения технических процессов, хотя в последние годы её выводами и результатами начинают пользоваться для изучения динамических свойств систем управления не только технического характера.

Для осуществления автоматического управления создаётся система, состоящая из управляющего объекта и тесно связанного с ним управляющего устройства. Как и всякое техническое сооружение, систему управления стремятся создать как бы конструктивно жёсткой, динамически «прочной». Эти чисто механические термины довольно условны и употреблены здесь в том смысле, что система должна быть способна выполнять предписанную ей программу действий, несмотря на неизбежные помехи со стороны внешней среды.

Впервые, по-видимому, с необходимостью построения регуляторов столкнулись создатели высокоточных механизмов, в первую очередь — часов. Даже небольшие, всё время действующие в них помехи приводили в конечном итоге к отклонениям от нормального хода, недопустимым по условиям точности. Противодействовать этим помехам чисто конструктивными средствами, например, улучшая обработку деталей, повышая их массу или увеличивая развиваемыми устройствами полезные усилия, не удавалось, и для решения проблемы точности в состав системы стали вводить регуляторы. На рубеже нашей эры арабы снабдили поплавковым регулятором уровня водяные часы. Гюйгенс в 1657 году встроил в часы маятниковый регулятор хода.

Ещё одной причиной, побуждавшей строить регуляторы, была необходимость управлять процессами, протекавшими при наличии столь сильно изменяющихся помех, в первую очередь нагрузки, что при этом утрачивалась не только точность, но и работоспособность системы. Предвозвестниками регуляторов для подобных условий можно считать применявшиеся ещё в средние века регуляторы хода водяных мукомольных мельниц с центробежными маятниковыми элементами. Хотя отдельные автоматические регуляторы появлялись данные времена, они оставались любопытными для истории техники эпизодами и сколь-нибудь серьёзного влияния на формирование техники и теории автоматического регулирования не оказали. Развитие промышленных регуляторов началось лишь на рубеже XVIII и XIX столетий, в эпоху промышленного переворота в Европе. Первыми промышленными регуляторами этого периода являются автоматический поплавковый регулятор питания котла паровой машины, построенный в 1765 г.

6 стр., 2601 слов

Устойчивость линейных систем автоматического управления

... 5. Определение областей устойчивости Устойчивость систем зависит от структуры и параметров системы. При расчете систем автоматического управления возникает задача опреде-ления диапазона изменения варьируемых параметров системы, при кото-рых она устойчива. Область устойчивости - это совокупность ...

И.И.Ползуновым, и центробежный регулятор скорости паровой машины, на который в 1784 г. Получил патент Дж. Уатт. Эти регуляторы как бы открыли путь потоку предложений по принципам регулирования и изобретений регуляторов, продолжавшемуся на протяжении XIX в. В этот период появились регуляторы с воздействием по скорости (Сименса), по нагрузке (Понселе), сервомоторы с жёсткой обратной связью (Фарко), регуляторы с гибкой обратной связью (изодромные), импульсные регуляторы «на отсечку пара», вибрационные электрические регуляторы и т.п.

Паровая машина не случайно стала первым объектом для промышленных регуляторов, так как она не обладала способностью устойчиво работать сама по себе, т.е. не обладала «самовыравниванием». Её неприятные динамические особенности часто приводили к неприятным неожиданностям, когда подключённый к машине регулятор действовал не так, как ожидал конструктор: «раскачивал» машину или вообще оказывался неспособным управлять ею. Всё это, естественно, побуждало к проведению теоретических исследований . Публикация этих исследований начинается с 30-х годов (первая известная публикация Д.С.Чижова. была в 1823 году).

Однако до конца 60-годов теоретические исследования регуляторов отличаются тем, что сегодня называется «отсутствием системного подхода». Часть авторов ещё не видит, что в технике возникло принципиально новое направление; они считают, что регуляторы — лишь некоторая разновидность, приборное исполнение «модераторов», «уравнителей хода», классическим представителем которых были насаживаемые на вал машины маховики. В некоторых из этих работ считается, что регулятор действует идеально, не обладая собственной инерцией. Шагом вперёд были работы, учитывавшие динамику регулятора, но и в них регулятор рассматривался отдельно от машины. Авторы добивались хорошего «успокоения» колебаний самого регулятора, считая, что это достаточно и для успокоения колебаний машины. При таком подходе теоретические исследования не могли стать фундаментом новой науки и были лишь дополнительными проработками в рамках прикладной механики, придатком к её разделу о паровых машинах.

Коренное изменение в подходе к проблеме и в методологию исследования внесли три фундаментальные теоретические работы, содержавшие в себе, по существу, изложение основ новой науки: работа Д.К.Максвелла

«О регуляторах» (1866) и работы И.А.Вышнеградского «Об общей теории регуляторов» (1876) и «О регуляторах прямого действия» (1877).

Д.К.Максвелл и И.А.Вышнеградский осуществили системный подход к проблеме, рассмотрев регулятор и машину как единую динамическую систему. Они смело упростили задачу, перейдя к исследованию малых колебаний и линеаризовав сложные дифференциальные уравнения системы, что позволило дать общий методологический подход к исследованию самых разнородных по физике и конструкции систем, заложить основы теории устойчивости, особенно актуальной для того времени, и установить ряд важных общих закономерностей регулирования по принципу обратной связи.

4 стр., 1523 слов

Автоматизированные системы научных исследований

... математические модели. АСНИ это системы получения или исследования моделей, которые используются в других типах автоматизированных систем для управления, проектирования или прогнозирования. 2. Определение АСНИ Автоматизированная система научных исследований это программно-аппаратный комплекс на ...

Исключительно важную роль в то время сыграла работа И.А.Вышнеградского, отличавшаяся глубоким инженерным подходом, рассмотрением самых злободневных для техники тех лет объектов и содержавшая кроме ценных практических рекомендаций также истоки ряда современных методов исследования устойчивости и качества регулирования (диаграммы устойчивости и распределения корней, выделение областей устойчивости и монотонности и др.).

именно И.А.Вышнеградский является основоположником теории автоматического регулирования.

Глубокая работа Д.К.Максвелла осталась в то время малозамеченной, т.к. она рассматривала нехарактерный объект, явно полезных практических выводов не делала и даже по умозрительным выводам рекомендовала практически непригодные для машин того времени астатические регулятора. Её роль была оценена позднее, когда теория автоматического регулирования уже сформировалась в самостоятельную научную дисциплину.

Уже в те годы теория регулирования стала стимулировать разработки математического плана. По призыву Д.К.Максвелла Раус разработал алгоритм для оценки расположения корней характеристического уравнения и устойчивости. По просьбе А.Стодолы вывел детерминантный критерий устойчивости Гурвиц.

Работы словацкого инженера и учёного А.Стодолы занимают видное место в теории устойчивости регулирования паровых и гидравлических турбин. Он попытался учесть влияние длинного трубопровода на процесс регулирования и получил при этом интересный результат.

Крупный вклад в теорию регулирования внесён Н.Е.Жуковским, автором труда «О прочности движения » и первого русского учебника «Теория регулирования хода машин» (1909).

Н.Е.Жуковский дал математическое описание процессов в длинных трубопроводах, рассмотрел влияние сухого трения в регуляторах, исследовал некоторые процессы импульсного регулирования.

В первые десятилетия XX века теория автоматического регулирования, вышедшая из рамок прикладной механики, формируется как общетехническая дисциплина. В этот период появляется целый ряд работ, рассматривающих приложение теории и распространяющей её выводы на самые разнообразные технические процессы. Особенно чётко мысль о теории регулирования, как дисциплине общетехнического характера, проводится в ряде работ И.Н.Вознесенского (1922-1949), руководителя одной из крупных советских школ в этой области.

Изменение автоматически управляемых систем, связанные с повышением интенсивности процессов, усложнения структуры и повышением требований, предъявляемых к скорости протекания, точности и качеству процессов, приводят к необходимости создания более эффективных аналитических методов исследования систем. Мысль исследователей обращается к частотным методам, позволяющим сочетать тонкие аналитические и наглядные графические приёмы, теоретические и экспериментальные методы исследования. Первые шаги в этом направлении делаются в предвоенные годы. Появляются работа Х.Найквиста (1932), в которой предлагался критерий устойчивости радиотехнических усилителей с обратной связью, основанный на свойстве частотной характеристики разомкнутой системы, и работа А.В.Михайлова «Гармонический метод в теории регулирования» (1938), открывшая новый этап в теории регулирования; в последней обосновалась целесообразность использования частотных методов в теории регулирования и предлагались новые методы, в честности «критерий Михайлова», не требующий предварительного размыкания цепи регулирования. В послевоенный период частотные методы быстро вошли в практику. В 1946 году Г.Боде. и Л.Мак Кол ввели логарифмические частотные характеристики. Флойд для исследования качества предложил приближённую разбивку вещественной частотной характеристики на трапеции. Г.Браун, А.Холл, Д.Кемпбелл, Г.Честнат, А.В.Михайлов, В.В.Солодовников и др. Завершили разработку частотных методов синтеза и расчёта систем, придав им форму, удобную для инженерных расчётов.

12 стр., 5945 слов

Автоматические системы управления

... систем автоматического управления и контроля» явилось следствием накопления большого объёма материала, посвященного исследованиям различных устройств автоматики и его систематизации, которая впервые в нашей стране проведена 1. История развития Теория автоматического регулирования и управления ...

В эти же годы усилия исследователей направляются на разработку общих основ теории нелинейных систем. Трудность проблемы заключалась в том, что не существовало единого общего математического аппарата для решения нелинейных задач. Продвинуться в этом направлении удалось тогда, когда из множества частных видов нелинейных систем были выделены для исследования узкие с математической точки зрения, но достаточно широкие в практических приложениях классы — системы, в которых выделяется две связанные части: общая (линейная) часть и безынерционный элемент с нелинейной статической характеристикой; частный вид этого класса — кусочно-линейные системы с релейным нелинейным элементом (или кусочно-линейной статической характеристикой).

Подавляющее большинство работ рассматривает эти классы систем, хотя в отдельных работах встречаются и другие системы.

Одно из важных направлений исследования устойчивости нелинейных систем, основывающееся на работах А.М.Ляпунова (1896) , развивалось в СССР в работах Н.Г.Четаева (1945), А.И.Лурье (1944-1951), А.М.Лётова (1955) и др.

Завершающим этапом развития этого направления можно считать разработку теории абсолютной устойчивости. Проблема была выдвинута в работах А.И.Лурье и В.Н.Постникова (1944), в более отчётливой постановке — М.А.Айзерманом (1949,1963), и доведена до изящного решения румынским учёным В.М.Поповым (1959), в котором использовались частотные представления, В.А.Якубовичем и др.

Большое значение для качественного исследования нелинейных систем имеют методы, базирующиеся на представлении переходных процессов траекториями в фазовых плоскости и пространстве. Основы направления были заложены А.А.Андроновым и его школой в 30 — 40-е годы. Метод фазовой плоскости, обладая большой наглядностью и глобальным охватом всех возможных движений, несмотря на ограниченность главным образом уравнениями второго и третьего порядков, вскрыл ряд специфических особенностей процессов в нелинейных системах — наличие предельных циклов, скользящих режимов, захватывание колебаний и т.п. Сочетание фазовых представлений с аналитическими методами дало возможность предложить и исследовать новый важный класс систем с переменной структурой, сохраняющих высокое качество работы в условиях значительных изменений параметра объекта (С.В.Емельянов и др., 60-е годы).

2 стр., 876 слов

Переходная функция системы управления. Импульсная характеристика. ...

... записи передаточных функций в изображениях по Лапласу в теории автоматического управления чаще всего используются следующие три формы [7]: полиномиальная; факторизована; стандартная. Для сокращенной записи моделей сложных нелинейных систем используются передаточные функции в ...

Работа в этом направлении удостоена Ленинской премии в 1971 г.

Я.З.Цыпкиным были разработаны основы теории релейных (1955) и импульсных (60-е годы) систем с различными видами модуляции. Цикл этих работ удостоен Ленинской премии в 1960 г.

Для определения параметров автоколебаний приближенными методами Н.М.Крыловым и Н.Н.Боголюбовым был разработан метод гармонического баланса (1934).

Л.С.Гольдфарбом был преложен графо-аналитический метод нахождения частоты и амплитуды основной гармоники автоколебаний с помощью частотных характеристик. Дальнейшее развитие этот метод получил развитие в работах Е.П.Попова и др.

Развитие теории автоматического регулирования в послевоенные годы было исключительно интенсивным и многогранным. Даже упомянуть о многих направлениях и авторах в коротком обзоре не представляется возможным. Ограничимся перечислением основных новых разделов, которым посвящены разработки новых фундаментальных принципов управления, выполненные советскими авторами. В трудах Г.В.Щипанова, В.С.Кулебакина, Б.Н.Петрова и других были разработаны теория автоматического регулирования по возмущению, теория компенсации возмущений и инвариантности.

В.В.Казакевичем, А.П.Юркевичем, А.А.Фельдбаумом, А.А.Красовским и другими были сформулированы и исследованы принципы экстремального управления и разработана теория экстремальных систем и поиска дуального управления, осуществляющего поиск показателя экстремума качества работы системы. Работами А.А.Фельдбаума, Л.С.Понтрягина, Н.Н.Красовского и многих других созданы теории оптимального управления, в которых исследуются управляющие воздействия, обеспечивающие максимальное значение функционала, выражающего технико-экономическую эффективность динамического процесса управления. Разработка теории экстремальных и оптимальных принципов управления дала основание расширить название курса «Теория автоматического регулирования», назвав его «Теория автоматического регулирования и управления». Гринченко А.Г. Теория автоматического управления: Учебн. пособие. — Харьков: ХГПУ, 2000.

2. Основные понятия и определения

Теория автоматического управления — наука о принципах построения, методах расчета и исследования автоматических систем..Лукас В.А. Теория автоматического управления. — М.: «Недра», 1990.

Теория автоматического управления рассматривает класс систем, основой функционирования которых является процесс преобразования энергии (в отличие от информационных систем — преобразующих информацию).

Системой автоматического управления

Типовая, структурная схема системы автоматического управления приведенана на рис.1

Рис.1

Управлением, Кибернетика

3. Классификация систем автоматического управления

Системы автоматического управления можно классифицировать по различным признакам:

1. По характеру изменения выходной величины Выходная величина — Ток или напряжение на зажимах, рассматриваемых как выход цепи (по ГОСТ19880 74) Источник: Термины и определения в электроэнергетике. Справочник:

системы автоматического регулирования — системы, в которых выходная величина поддерживается на постоянном уровне, определенном заранее;

  • следящие системы — это системы, в которых выходная величина изменяется в соответствии с заранее неизвестной функцией, определяемой заданием;
  • программные системы — это системы, в которых выходная величина изменяется в соответствии с программой определяемой заданием;
  • экстремальные системы — это системы, в которых выходная величина поддерживается на уровне некоторого экстремума;
  • оптимальные системы — это системы, в которых выход таков, что некоторый показатель наилучший в определенном смысле.

2. По принципу управления :

31 стр., 15438 слов

Проектирование автоматизированной системы управления

... существующих систем в большую автоматизированную систему управления. 1.4 Задачи автоматизации Основной задачей работы разработка общей структуры промышленной сети программируемых контроллеров в рамках автоматизированной системы расчета ... (рис. 2) одновременно с изображением минутной шкалы. 1.2 Технические характеристики объекту Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением ( ...

системы с управлением по отклонению — системы, в которых управляющее воздействие вырабатывается в функции разности задающего и возмущающего воздействия. Этот принцип используется в замкнутых системах управления. Структурная схема системы с управлением по отклонению приведена на рис. 2а.

рис.2а

системы с управлением по возмущению — системы, в которых управляющее воздействие вырабатывается в функции задающего или возмущающего воздействия. Этот принцип управления чаще всего используется в разомкнутых системах. Структура системы с управлением по возмущению приведена на рис.2б.

рис.2б

  • системы с комбинированным управлением — системы, в которых сочетается первый и второй принципы управления. Структура системы с комбинированным управлением приведена на рис.2в.

рис.2в

3. По характеру изменения сигналов: непрерывные; дискретные.

4. По числу регулируемых величин: одномерные; многомерные.

5. По виду ошибок: статические; астатические.

6. По характеру описываемых уравнений: линейные — нелинейные; детерминированные — стохастические; стационарные — нестационарные ;

7.По степени использования информации о состоянии объекта управления: управление с обратной связью; управление без обратной связи Обратная связь — связь, при которой на вход регулятора подается действительное значение выходной переменной, а также заданное значение регулируемой переменной.

8.По степени использования информации о параметрах и структуре объекта управления: адаптивный; неадаптивный; ;поисковый; беспоисковый; с идентификацией; с переменной структурой.

9.По степени преобразования координат в САУ: детерминированный f(t) = f(t + 1); стохастический (со случайными воздействиями);

10.По виду мат. модели преобразования координат: линейные; нелинейные (релейные, логические и др.)

11.По виду управляющих воздействий: аналоговые; дискретные (прерывные, импульсные, цифровые);

12.По степени участия человека: ручные; автоматические; автоматизирование (человек в управлении).

13.По закону изменения выходной переменной:

стабилизирующая: предписанное значение выходной переменной является неизменным;

программная : выходная переменная изменяется по определенной, заранее заданной программе;

6 стр., 2767 слов

Система управления промышленным роботом

... которой крепится рабочий инструмент. 1.2 Принципы управления промышленным роботом. Современные роботы функционируют на основе принципов обратной связи, подчинённого управления и иерархичности системы управления роботом. Иерархия системы управления роботом подразумевает деление системы управления на горизонтальные слои, управляющие общим ...

следящая: предписанное значение выходной переменной зависит от значения неизвестной заранее переменной на входе автоматической системы.;

14.По количеству управляемых и регулируемых переменных: одномерные; многомерные;

15.По степени самонастройки, адаптации, оптимизации и интеллектуальности: экстремальные; самонастраивающиеся; интеллектуальные;

16.По воздействию чувствительного (измерительного) элемента на регулирующий орган: системы прямого управления; системы косвенного управления.

4. Характеристики систем автоматического управления

Статические характеристики определяют статику системы, т.е. ее поведение в установившемся режиме.

Статической характеристикой

Статические характеристики позволяют: определить коэффициент усиления системы; степень ее нелинейности; величину статизма; произвести согласование рабочих точек системы.

Динамические характеристики определяют динамику системы, т.е. ее поведение в неустановившемся (переходном) режиме. При этом используют следующие основные динамические характеристики:

передаточная функция;

временные характеристики;

частотные характеристики.

Передаточная функция системы

Временной характеристикой системы

К основным временным характеристикам относятся переходная функция и функция веса.

Типовые воздействия

единичная функция;

единичный импульс;

линейно — растущее воздействие;

квадратичное воздействие;

гармоническое воздействие;

«белый шум

Единичная функция

Единичный импульс

Линейно-растущее воздействие —

Квадратичное воздействие

Переходная функция

Весовая функция. Весовая функция

Частотные характеристики

Логарифмические характеристики имеют ряд преимуществ перед обычными частотными характеристиками. Основным преимуществом логарифмических характеристик является возможность оценки влияния отдельных параметров системы без необходимости повторного проведения расчета. Бесекерский В.А. , Попов Е.П. «Теория систем автоматического управления». Профессия, 2003 г.