Омский авиационный техникум им. Н. Е. ЖуковскогоР Е Ф Е Р А Т
по дисциплине «Электротехника»
тема: «Системы автоматического управления»
Выполнил: Проверил:
ст. гр.С-66 преподаватель
Макаренко Е.В. Полунина А. М.
2003
Автоматика, отрасль науки и техники, охватывающая теорию ипринципы построения систем управления, действующих без непосредственногоучастия человека; в узком смысле — совокупность методов и технических средств,исключающих участие человека при выполнении операций конкретного процесса. Каксамостоятельная область техники А. получила признание на 2-й Мировойэнергетической конференции (Берлин, 1930), где была создана секция по вопросам автоматического ителемеханического управления.В СССР термин «А.» получил распространение в начале 30-х гг.
А. 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 самостоятельнуюнаучно-техническую дисциплину окончательно оформилась к 1940. История А. какотрасли техники тесно связана с развитием автоматов, автоматических устройств иавтоматизированных комплексов. В стадии становления А. опиралась натеоретическую механику и теорию электрических цепей и систем и решала задачи,связанные с регулированием давления в паровых котлах, хода поршня паровых ичастоты вращения электрических машин, управления работой станков-автоматов,АТС, устройствами релейной защиты. Соответственно и технические средства А. вэтот период разрабатывались и использовались применительно к системамавтоматического регулирования Интенсивное развитие всех отраслей науки итехники в конце 1-й половины 20 в. вызвало также быстрый рост техники автоматического управления, применениекоторой становится всеобщим.
2-я половина 20 в. ознаменовалась дальнейшим совершенствованиемтехнических средств А. и широким, хотя и неравномерным для разных отраслейнародного хозяйства, распространением автоматических управляющих устройств спереходом к более сложным автоматическим системам, в частности в промышленности- от автоматизации отдельных агрегатов к комплексной автоматизации цехов изаводов. Существенной чертой является использование А. на объектах,территориально расположенных на больших расстояниях друг от друга, напримеркрупные промышленные и энергетические комплексы, системы управлениякосмическими летательными аппаратами и т. д. Для связи между отдельнымиустройствами в таких системах применяются средства телемеханики, которые совместнос устройствами управления и управляемыми объектами образуют телеавтоматическиесистемы. Большое значение при этом приобретают технические (в т. ч.телемеханические) средства сбора и автоматическойобработки информации, т. к. многие задачи в сложных системах автоматического управления могут быть решенытолько с помощью вычислительной техники. Наконец, теория автоматического регулированияуступает место обобщённой теории автоматическогоуправления,объединяющей все теоретические аспекты А. и составляющей основу общей теории управления
Автоматическое управление в технике,совокупность действий, направленных на поддержание или улучшениефункционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека всоответствии с заданной целью управления.А. у. широко применяется во многих технических и биотехнических системах длявыполнения операций, не осуществимых человеком в связи с необходимостьюпереработки большого количества информации в ограниченное время, для повышенияпроизводительности труда, качества и точности регулирования, освобождениячеловека от управления системами, функционирующими в условиях относительнойнедоступности или опасных для здоровья. Цель управления тем или иным образомсвязывается с изменением во времени регулируемой (управляемой) величины — выходной величины управляемого объекта. Для осуществления цели управления, сучётом особенностей управляемых объектов различной природы и спецификиотдельных классов систем, организуется воздействие на управляющие органыобъекта — управляющее воздействие. Оно предназначено также для компенсацииэффекта внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить требуемоеповедение регулируемой величины. Управляющее воздействие вырабатываетсяустройством управления (УУ). Совокупность взаимодействующих управляющегоустройства и управляемого объекта образует систему автоматического управления.
Система автоматическогоуправления (САУ)поддерживает или улучшает функционирование управляемого объекта. В ряде случаеввспомогательные для САУ операции (пуск, остановка, контроль, наладка и т.д.)также могут быть автоматизированы. САУ функционирует в основном в составепроизводственного или какого-либо другого комплекса.
История техники насчитывает много ранних примеров конструкций,обладающих всеми отличительными чертами САУ (регулирование потока зерна намельнице с т. н. «потряском», уровня воды в паровом котле машиныПолзунова, 1765, и т. д.). Первой замкнутой САУ, получившей широкое техническоеприменение, была система автоматического регулирования с центробежнымрегулятором в паровой машине Уатта (1784). По мере совершенствования паровыхмашин, турбин и двигателей внутреннего сгорания всё более широко использовалисьразличные механические регулирующие системы и устройства, достигшиезначительного развития в конце 19 — начале 20 вв. Новый этап в А. у.характеризуется внедрением в системы регулирования и управления электронныхэлементов и устройств автоматики и телемеханики. Это обусловило появлениевысокоточных систем слежения и наведения, телеуправления и телеизмерения,системы автоматического контроля и коррекции. 50-е гг. 20 в. ознаменовалисьпоявлением сложных систем управления производственными процессами ипромышленными комплексами на базе электронных управляющих вычислительных машин.
САУ классифицируются в основном по цели управления, типу контурауправления и способу передачи сигналов. Первоначально перед САУ ставилисьзадачи поддержания определённых законов изменения во времени управляемыхвеличин. В этом классе систем различают системы автоматического регулирования (CAP), в задачукоторых входит сохранение постоянными значения управляемой величины; системыпрограммного управления,где управляемая величина изменяется по заданной программе; следящие системы,для которых программа управлениязаранее неизвестна. В дальнейшем цель управления стала связыватьсянепосредственно с определёнными комплексными показателями качества,характеризующими систему (её производительность, точность воспроизведения и т.п.); к показателю качества могут предъявляться требования достижения импредельных (наибольших или наименьших) значений, для чего были разработаныадаптивные, или самоприспосабливающиеся системы. Последние различаются поспособу управления: в самонастраивающихся системах меняются параметрыустройства управления, пока не будут достигнуты оптимальные или близкие коптимальным значения управляемых величин; в самоорганизующихся системах с тойже целью может меняться и её структура. Наиболее широки, в принципе,возможности самообучающихся систем, улучшающих алгоритмы своегофункционирования на основе анализа опыта управления. Отыскание оптимальногорежима в адаптивных САУ может осуществляться как с помощью автоматическогопоиска, так и беспоисковым образом.
Способ компенсации возмущений связан с типом контура управлениясистемы. В разомкнутых САУ на УУ не поступают сигналы, несущие информацию отекущем состоянии управляемого объекта, либо в них измеряются и компенсируютсяглавные из возмущений, либо управление ведётся по жёсткой программе, безанализа каких-либо факторов в процессе работы. Основной тип САУ — замкнутые, вкоторых осуществляется регулирование по отклонению, а цепь прохождения сигналовобразует замкнутый контур, включающий объект управления и УУ; отклоненияуправляемой величины от желаемых значений компенсируются воздействием черезобратную связь, вне зависимости от причин, вызвавших эти отклонения.Объединение принципов управления по отклонению и по возмущению приводит ккомбинированным системам. Часто, помимо основного контура управления,замыкаемого главной обратной связью, в САУ имеются вспомогательные контуры(многоконтурные системы) для стабилизации и коррекции динамических свойств.Одновременное управление несколькими величинами, влияющими друг на друга,осуществляется в системах многосвязного управления или регулирования.
По форме представления сигналов различают дискретные и непрерывные САУ.В первых сигналы, по крайней мере в одной точке цепи прохождения, квантуются повремени, либо по уровню, либо как по уровню, так и по времени.
/>
Простейший пример САУ — система прямого регулирования частоты вращениядвигателя (рис. 1). Цель управления — поддержание постоянной частотывращения маховика, управляемый объект — двигатель 1; управляющее воздействие — положение регулирующей заслонки дросселя 3; УУ — центробежный регулятор 2,муфта 4 которого смещается под действием центробежных сил при отклоненииот заданного значения частоты вращения вала 5, жестко связанного смаховиком. При смещении муфты изменяется положение заслонки дросселя.Структурная схема рассмотренного примера (рис. 2) типична длямногих САУ вне зависимости от их физической природы. Описанная системапредставляет собой замкнутую одноконтурную непрерывную систему автоматическогорегулирования механического действия, допускающую линеаризацию приисследовании.
/>
Промышленность выпускает универсальные регуляторы, в том числе своздействием по производной, по интегралу, экстремальные регуляторы, дляуправления различными объектами. Специализированные САУ широко применяются вразличных областях техники, например: следящая система управлениякопировально-фрезерным станком по жёсткому копиру; САУ металлорежущих станков спрограммным управлением от магнитной ленты, перфоленты или перфокарты(преимущества такого управления заключаются в относительной универсальности,лёгкости перестройки программы и высокой точности обработки деталей); системапрограммного управления реверсивным прокатным станом, включающая в свой контуруправляющую вычислительную машину. В относительно медленных технологическихпроцессах в химической и нефтяной промышленности распространены многосвязныеСАУ, осуществляющие регулирование большого количества связанных величин; так,при перегонке нефти информация о температуре, давлении, расходе и составенефтепродуктов, получаемая от нескольких сотен датчиков, используется дляформирования сигналов управления десятками различных регуляторов. САУ играютважную роль в авиации и космонавтике, например автопилот представляет собой САУсвязанного регулирования, а иногда и самонастраивающуюся систему. В военнойтехнике применяются высокоточные следящие системы, часто включающиевычислительные устройства (например, система углового сопровождениярадиолокационной станции). При анализе многих физиологических процессов в живоморганизме, таких как кровообращение, регуляция температуры тела у теплокровныхживотных, двигательные операции, обнаруживаются характерные черты САУ.
Задачи синтеза устройств А. у. и анализа процессов в управляемыхсистемах являются предметом теории автоматическогоуправления.
Устойчивость системы автоматического управления, способность системы автоматического управления (САУ) нормально функционировать ипротивостоять различным неизбежным возмущениям (воздействиям). Состояние САУназывается устойчивым, если отклонение от него остаётся сколь угодно малым прилюбых достаточно малых изменениях входных сигналов. У. САУ разного типаопределяется различными методами. Точная и строгая теория У. систем,описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями, создана А. М.Ляпуновым в 1892.
Все состояния линейной САУ либо устойчивы, либо неустойчивы, поэтомуможно говорить об У. системы в целом. Для У. стационарной линейной СЛУ,описываемой обыкновенными дифференциальными уравнениями, необходимо идостаточно, чтобы все корни соответствующего характеристического уравненияимели отрицательные действительные части (тогда САУ асимптотически устойчива).Существуют различные критерии (условия), позволяющие судить о знаках корнейхарактеристического уравнения, не решая это уравнение — непосредственно по егокоэффициентам. При исследовании У. САУ, описываемых дифференциальными уравненияминевысокого порядка (до 4-го), пользуются критериями Рауса и Гурвица (Э. Раус,англ. механик; А. Гурвиц, нем. математик). Однако этими критериями пользоватьсяво многих случаях (например, в случае САУ, описываемых уравнениями высокогопорядка) практически невозможно из-за необходимости проведения громоздкихрасчётов; кроме того, само нахождение характеристических уравнений сложных САУсопряжено с трудоёмкими математическими выкладками. Между тем частотныехарактеристики любых сколь угодно сложных СЛУ легко находятся посредствомпростых графических и алгебраических операций. Поэтому при исследовании ипроектировании линейных стационарных САУ обычно применяют частотные критерииНайквиста и Михайлова (Х. Найквист, амер. физик; А. В. Михайлов, сов. учёный вобласти автоматическогоуправления).Особенно прост и удобен в практическом применении критерий Найквиста.Совокупность значений параметров САУ, при которых система устойчива, называетсяобластью У. Близость САУ к границе области У. оценивается запасами У. по фазе ипо амплитуде, которые определяют по амплитудно-фазовым характеристикамразомкнутой САУ. Современная теория линейных САУ даёт методы исследования У.систем с сосредоточенными и с распределёнными параметрами, непрерывных идискретных (импульсных), стационарных и нестационарных.
Проблема У. нелинейных САУ имеет ряд существенных особенностей всравнении с линейными. В зависимости от характера нелинейности в системе однисостояния могут быть устойчивыми, другие — неустойчивыми. В теории У.нелинейных систем говорят об У. данного состояния, а не системы как таковой. У.какого-либо состояния нелинейной САУ может сохраняться, если действующиевозмущения достаточно малы, и нарушаться при больших возмущениях. Поэтомувводятся понятия У. в малом, большом и целом. Важное значение имеет понятиеабсолютной У., т. е. У. САУ при произвольном ограниченном начальном возмущениии любой нелинейности системы (из определённого класса нелинейностей).Исследование У. нелинейных САУ оказывается довольно сложным даже при использованииЭВМ. Для нахождения достаточных условий У. часто применяют метод функцийЛяпунова. Достаточные частотные критерии абсолютной У. предложены рум.математиком В. М. Поповым и др. Наряду с точными методами исследования У.применяются приближённые методы, основанные на использовании описывающихфункций, например методы гармонической или статистической линеаризации.
Устойчивость САУ при воздействии на неё случайных возмущений и помехизучается теорией У. стохастических систем.
Современная вычислительная техника позволяет решать многие проблемы У.линейных и нелинейных САУ различных классов как путём использования известныхалгоритмов, так и на основе новых специфических алгоритмов, рассчитанных навозможности современных ЭВМ и вычислительных систем.
Точность системы автоматическогоуправления, одна изважнейших характеристик систем автоматическогоуправления (САУ),определяющая степень приближения реального управляемого процесса (УП) ктребуемому. Отклонение УП от требуемого вызывается динамическими свойствамиобъекта управления (ОУ) и САУ, ошибками измерительных и исполнительныхустройств, входящих в САУ, внутренними шумами в некоторых её элементах ивнешними помехами. Оно складывается из систематической и случайной ошибок.Систематическая ошибка представляет собой математическое ожидание случайногоотклонения УП от требуемого. Случайная ошибка обычно характеризуется дисперсиейили средним квадратическим отклонением (в случае одномерного УП) либокорреляционной матрицей (в случае многомерного УП). Соотношение междусистематической и случайной ошибками определяется полосой пропускания системы(диапазоном частот колебаний входного сигнала, на которые система заметнореагирует). С расширением полосы пропускания система становится менееинерционной и систематическая ошибка уменьшается, однако при этом увеличиваетсядисперсия случайной ошибки. Поэтому при проектировании САУ ищут некотороекомпромиссное решение задачи выбора полосы пропускания. Т. тесно связана сдругой важной характеристикой САУ — её чувствительностью.
На начальном этапе развития автоматики вопрос об учёте случайных ошибокне возникал и точность САУ характеризовали только систематической ошибкой.Необходимость учёта случайных ошибок, возникшая впервые при решении задачприцеливания при стрельбе и бомбометании с самолёта и возросшая с появлениемрадиолокации, привела к созданию и развитию статистической теории УП, котораястала оцннм из важнейших направлений теории автоматического управления. Основные задачи статистическойтеории УП: 1) расчёт Т. при заданных характеристиках ОУ, САУ и случайныхвозмущений — статистический анализ САУ; 2) определение оптимальныххарактеристик САУ, при которых достигается наибольшая возможная Т. при заданныхстатистических характеристиках сигналов управления и помех, — статистическийсинтез САУ. Статистическая теория УП даёт методы статистического анализа исинтеза систем разных классов (линейных, приводимых к линейным, описываемыхстохастическими дифференциальными или разностными уравнениями), а также общиеметоды оптимизации линейных и нелинейных систем по различным критериям и методыопределения предельно достижимой (потенциальной) Т. при заданных статистическиххарактеристиках полезных сигналов и помех. Методы статистической теории УПсложны и требуют применения ЭВМ.
Управление сложными системами обычно осуществляется в условияхнеопределённости — при отсутствии достаточной информации о характеристикахполезных сигналов и помех, а в некоторых случаях и об ОУ. Поэтому возникаетпроблема повышения точности САУ непосредственно в процессе её работы. Этодостигается применением принципов адаптации, обучения или самообучения.Статистическая теория УП даёт теоретические основания для проектированияадаптивных (в частности самонастраивающихся), обучающихся и самообучающихсяСАУ, а также методы оценки эффективности обучения — повышения их Т. Развитиестатистической теории УП привело к созданию в начале 70-х гг. 20 в. основтеории стохастических систем, распространяющей и обобщающей методыстатистической теории УП (в том числе методы расчёта Т.) на системы, включающиене только машины, автоматические устройства и ЭВМ, но и коллективы людей.
Самонастраивающаяся система автоматического управления, самоприспосабливающаяся система, вкоторой приспособление к случайно изменяющимся условиям обеспечивается автоматическим изменениемпараметров настройки или путём автоматическогопоиска оптимальной настройки. В любой несамонастраивающейся автоматической системе управления имеются параметры,которые влияют на устойчивость и качество процессов управления и могут быть изменены при регулировке(настройке) системы. Если эти параметры остаются неизменными, а условияфункционирования (характеристики управляемого объекта, возмущающие воздействия)существенно изменяются, то процесс управления может ухудшиться или даже статьнеустойчивым. Ручная настройка системы часто оказывается обременительной, аиногда и невозможной. Использование в таких случаях С. с. технически иэкономически целесообразно и даже может оказаться единственным способомнадёжного управления.
С. с. подразделяют на поисковые и беспоисковые. В поисковых С. с.необходимое качество управлениядостигается в результате автоматическогопоиска оптимальной (в некотором смысле) настройки. Качество настройкихарактеризуется некоторым обобщённым показателем, связанным с первичнымипараметрами настройки сложным, обычно не вполне стабильным и недостаточноизвестным соотношением. Этот показатель измеряется непосредственно иливычисляется по измеренным значениям первичных параметров. Параметрам настройкив С. с. придаются поисковые или пробные изменения. Анализ колебаний показателякачества настройки, вызванных поисковыми воздействиями, позволяет установить,является ли настройка оптимальной, т. е. соответствующей экстремуму (максимумуили минимуму) показателя качества. Если имеют место отклонения от экстремума,то настройка изменяется до тех пор, пока не приблизится к оптимальной.Поисковые С. с. могут работать при изменении внешних условий в широкихпределах.
Беспоисковые С. с. имеют перед поисковыми системами определённое преимущество,обусловленное тем, что поиск оптимального состояния отнимает значительноевремя, т. е. время самонастройки поисковых систем ограничено снизу. Вбеспоисковых С. с. используется некоторый контролируемый показатель качествауправления (например, значение производной контролируемого параметра повремени). Автоматической настройкой параметров этот показатель поддерживается взаданных пределах. В зависимости от вида показателя различают С. с. с контролемпереходных процессов, с контролем частотных характеристик, с эталонной модельюи др. Всё это — замкнутые беспоисковые С. с. с замкнутым контуромсамонастройки, в котором параметры настройки автоматически изменяются привыходе показателя качества за допустимые пределы. Некоторые замкнутыебеспоисковые С. с. близки к обычным нелинейным системам автоматического управления с пониженнойчувствительностью к характеристикам объекта — к таким, например, как релейныесистемы или управлениясистемы с переменной структурой. Наряду с замкнутыми применяют такжеразомкнутые С. с. — т. н. системы параметрической компенсации. В этих С. с.контролируются воздействия, вызывающие изменение свойств объекта, и по заранеерассчитанной программе изменяются параметры настройки системы; контурсамонастройки в этом случае разомкнут. Такая самонастройка может быть почтимгновенной, однако её осуществление требует контроля окружающей среды идостаточно точного знания законов воздействия среды на управляемый объект.
Самонастройка реализуется как специальной аппаратурой (в виде блоковсамонастройки или самонастраивающихся экстремальных регуляторов), так иадаптивными алгоритмами центральных управляющих ЦВМ. Придание алгоритмамуправления свойств самонастройки (адаптации) существенно расширяет возможностиуправления разнообразными процессами. Внедрение С. с. позволяет приблизиться коптимальным режимам функционирования объектов, облегчает задачу унификациисистем управления, сокращает время на испытания и наладку, снижаеттехнологические требования на изготовление ряда узлов устройств управления,освобождает обслуживающий персонал от трудоёмких операций настройки.Практическое использование С. с. и самонастраивающихся алгоритмов — одна изхарактерных черт технического прогресса в области управления.
Пилотирование (от франц. piloter — вести самолёт), управление движениемлетательного аппарата (ЛА), осуществляемое пилотом или системой автоматического управления с целью измененияили сохранения режима полёта. П. управляемых беспилотных ЛА осуществляется покомандам оператора с наземного пункта, передаваемым на ЛА посредствомэлектромагнитных волн (телеуправляемые беспилотные ЛА), или по командамбортовой автоматическойсистемы управления в соответствии сзаранее составленной программой (беспилотные ЛА с автономным управлением). П. производитсяс момента взлёта ЛА и до его приземления с помощью органов управления,создающих необходимые моменты сил относительно центра масс ЛА и изменяющих тягусиловой установки. Например, задача П. самолёта заключается в основном визменении его подъёмной силы, силы тяги и в создании (или парировании) моментовсил, вращающих самолёт вокруг его продольной, поперечной и вертикальной осей,проходящих через центр масс. П. и навигация воздушная определяют процессвождения ЛА в целом (для самолётов — самолётовождение). У самолётов и планёровдля П. служат аэродинамические рули высоты и направления, элероны, интерцепторы,щитки и др., у самолётов с вертикальным взлётом и посадкой (на режимах, когдааэродинамические рули не эффективны) и у космических ЛА — реактивные, струйныеили газовые рули, у вертолётов П. осуществляется главным образом изменениемвеличины и направления силы тяги несущих винтов.
Автопилоты.Современные автопилоты (АП) представляют собой комплекс совместноработающих устройств, обеспечивающих стабилизацию ЛА на траектории,стабилизацию высоты полета, управление маневрами ЛА и приведение его в горизонтальныйполет.
В основусхемы автопилотов при работе в режиме стабилизации положен принципрегулирования по углу, угловой скорости (автопилоты типа АП-6Е, АП-28, АП-31,АП-40 и др.), а у некоторых автопилотов и по угловому ускорению (автопилотытипа АП-15). Система «Самолет—автопилот» представляет единую замкнутую системуавтоматического регулирования и управления. Автопилот состоит обычно из трехавтоматических систем регулирования с внутренними перекрестными связями. Всетри системы обычно выполняются по одинаковым схемам. На рис. 1 приведена схемаканала управления рулями высоты.
/>
dв — угол отклонения руля высоты; nз— заданное значение углатангажа; n— угол тангажа; 3 — задатчикугла тангажа; ИУ — измерительные устройства (датчики n и vn); Unз, Un, Uvn—напряжения, пропорциональные значениям nз,n, vn;СУ — суммирующее устройство; Uос — напряжение обратной связи; US— суммарное напряжение; У — усилитель;ОС — датчик обратной связи; k — коэффициент усиления усилителя; РМ — рулеваямашина
Рис. 1. Функциональная схема автоматического управлениярулями высоты
В составкаждого канала входят измерительные устройства ИУ, суммирующие устройства СУ,усилительные (У) и исполнительные устройства (РМ). Измерительные устройства ИУавтопилотов типа АП (например, датчики углов крена, тангажа, курса, высоты и т.п.) измеряют значения отклонений угла и угловой скорости (например, углатангажа n, угловой скорости тангажа vn) и преобразуют эти отклонения ввеличины напряжений Un и Uv. После алгебраического суммирования всуммирующем устройстве СУ сумма напряжений USусиливается усилителем У и подается на рулевую машину РМ автопилота. Последняяотклоняет руль высоты, в результате чего появившееся отклонение угла тангажаликвидируется.
Список литературы
1. Теорияавтоматического управления. /Под ред. Воронова А.А.-М.; Высш.шк.
2. МакаровИ.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы.-М.: Машиностроение, 1982.
3. Системы с переменнойструктурой и их применение в задачах автоматизации полёта, М., 1968.
4. ВороновА. А., Основы теории автоматическогоуправления, ч. 3, М.- Л., 1970.
5. ЕмельяновС. В., Системы автоматического управления с переменнойструктурой, М., 1967.