Document 4890363

Основы теории управления
Раздел 2. Лекция 2.
Автоматические системы и задачи
теории управления
Лектор
Цветков Александр Владимирович, к.т.н., доцент кафедры
автоматики и информационных технологий УГТУ-УПИ
Авторы-разработчики :
• Цветков А.В.
• Ванеева Л.А.
• Страшинин Е. Э.
Екатеринбург 2007
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
2
Цель лекции
Изучение раздела 2 даёт представление о:
• терминологии;
• объектах и системах автоматического
управления;
• принципах построения систем
управления;
• классификации систем.
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
3
Содержание лекции
• Терминология
• Объекты и системы автоматического
управления (САУ)
• Основные принципы построения систем
управления
• Классификация САУ по назначению
• Основные этапы разработки САУ
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
4
Терминология
Объект управления (Controlled object) – объект, для достижения
желаемых результатов функционирования которого необходимы и
допустимы специально организованные воздействия.
2.
Цель управления (Control aim) – значение или соотношение
значений координат процессов в объекте управления или их
изменение во времени, при которых обеспечивается достижение
желаемых результатов функционирования объекта.
1.
3. Управляющее воздействие (Controlling action) – воздействие на
объект управления, предназначенное для достижения целей
управления.
4. Управление (Control) – процесс выработки и осуществления
управляющих воздействий.
5. Управляющий объект (регулятор) (Controlling object) – объект,
предназначенный для осуществления управления.
6. Система управления (Control system) – система, состоящая из
управляющего объекта и объекта управления.
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
5
Терминология
7. Возмущение (Disturbance) – воздействие извне на любой элемент
системы управления, включая объект управления, затрудняющее, как
правило, достижение целей управления.
8. Задающее воздействие (Setting action) – воздействие на управляющий
объект, предназначенное для изменения целей управления.
9. Обратная связь (Feedback) – зависимость текущих воздействий на
объект
от
его
состояния,
обусловленного
предыдущими
воздействиями на этот же объект. Обратная связь бывает
положительная (ПОС) – вызывает увеличение отклонений от
предыдущих значений, и отрицательная (ООС) - вызывает
уменьшение отклонений от предыдущих значений.
10. Качество управления (Control performance) – совокупность
характеристик управления, принятая для оценки полезности
управления.
11. Показатель качества управления (Control performance index) –
количественная оценка качества управления.
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
6
Объекты и системы
автоматического управления (САУ)
Объект управления – техническое устройство или процесс
различной физической природы, которым необходимо
управлять.
Обозначение на схемах:
f(t)
u(t) – управляющее воздействие;
f(t) – возмущающее воздействие;
x
y(t) –выходные координаты.
Дополнительно должно быть известно x(t) – состояние объекта
управления.
Состояние – это минимальная информация об объекте
управления, которая вместе с известными входами дает
исчерпывающее представление о выходе объекта управления.
u(t)
Объект
управления
y(t)
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
7
Основные принципы построения
систем управления
Разомкнутое управление
f
uзад
Управляющее
устройство
u
Объект
управления
y
Система
управления
Рис. 2.1. Система управления по разомкнутому принципу
Этот принцип используется только в простых
системах, где не предъявляются высокие требования
к качеству, и отклонение выходных координат не
вызывает критических ситуаций.
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
8
Основные принципы построения
систем управления
Управление по возмущению
Преобразовательное
устройство
uзад
Управляющее
устройство
u
f
Объект
управления
y
Рис. 2.2. Система с управлением по возмущению
Реализация этого принципа требует:
• возможности измерения каждого возмущения;
• знания закона влияния возмущения на показатели качества;
• умения выработать коррекцию управляющего воздействия.
Такие контуры можно сделать для ограниченного числа
возмущений. Достоинство принципа – быстрота реакции на
возмущение. Пример – температурная стабилизация рабочих
точек электронных схем, при которой устраняется влияние
температуры.
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
9
Основные принципы построения
систем управления
Управление по отклонению
f
uзад
Управляющее
устройство
Регулятор
u
Объект
управления
y
Измерительное
устройство
Рис. 2.3. Система с управлением по отклонению
Использование данного принципа позволяет
устранять отклонения выходных координат от
заданных значений независимо от причин вызвавших
эти отклонения.
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
10
Основные принципы построения
систем управления
Комбинированное управление
Представляет
комбинацию
возмущению и по отклонению.
управления
Преобразовательное
устройство
uзад
Управляющее
устройство
u
по
f
Объект
управления
y
Рис. 2.4. Система комбинированного управления
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
11
Классификация САУ по назначению
Системы стабилизации - обеспечивают
постоянство значения регулируемой величины.
y
Пример: системы для поддержания
постоянной скорости вращения диска в
дисководе, поддержания постоянной
температуры и т.д.
t
Рис.2.5. Изменение выходной величины в системе стабилизации
Системы программного управления обеспечивают изменение выходных координат по заранее
известному закону.
y
Пример:
технологические
процессы,
где
обеспечивается
заданный
характер
изменения
температуры
в
процессе
t
0 t1 t2
t3
t4
термической обработки изделия.
Рис.2.6. Изменение выходной величины в сист. программного управления
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
12
Классификация САУ по назначению
Следящие системы - обеспечивают изменение
выходных координат по заранее неизвестному закону и с
заданными требованиями к качеству слежения.
ξ
t
Рис. 2.7. Изменение
выходной характеристики
в следящей системе
Пример:
радиолокационные станции,
где обеспечивается
сопровождение цели.
На графике ξ-угол места
антенны, сопровождающей
самолет, в системе
противовоздушной обороны.
Поведение самолёта
произвольно, он маневрирует
с целью ухода от слежения.
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
13
Классификация САУ по назначению
Экстремальные системы
- обеспечивают
экстремум (минимум или максимум) некоторого параметра.
Свых
Сопт
Сисх
Рис. 2. 8. Характеристика
технологического
процесса в следящей
системе
Пример:
химическое производство, где
необходимо
обеспечить
максимальный
выход
полезного
продукта,
при
изменяющейся концентрации
исходного материала.
С-концентрация продукта.
Система
обеспечивает
подстройку
концентрации
исходного
вещества
под
заранее
неизвестное
значение Сопт.
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
14
Классификация САУ по назначению
Оптимальные системы
В результате должен быть оптимизирован (по
минимуму или максимуму) некоторый функционал за счёт
расчёта необходимого закона управления. Пример:
спутники связи, у которых проводится ориентация и смена
орбит, а критерием является минимизация расхода
топлива. Закон управления будет содержать моменты
включения и тягу вспомогательных двигателей.
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
15
Основные этапы разработки САУ
1. Определение целей
2. Выбор переменных
3. Формулировка требований
4. Выбор конфигурации системы и исполнительных устройств
5. Получение моделей ОУ, измерительных и исполнительных устройств
6. Выбор (синтез) регулятора
7. Оптимизация параметров и анализ качества
Нет
Соответствует
цели?
Да
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
Переход к
реализации
16
Роль и средства математического
описания системы и целей управления
Осуществление процесса разработки САУ
требует высокого уровня математической культуры
разработчиков,
отличного
знания
предметной
области и смежных областей. Объекты управления
имеют различную физическую природу, но должны
быть описаны универсальным образом. Эту задачу
позволяет
осуществить
математическое
моделирование, которое является основным методом
описания и исследования систем управления.
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
17
Выводы и заключение
1.
2.
3.
Основным принципом построения систем
автоматического управления является принцип
управления по отклонению, или принцип обратной
связи.
Возможны различные способы классификации САУ,
при классификации по назначению выделяют
системы стабилизации, программного управления,
следящие и другие.
Разработка САУ представляет собой итерационный
процесс.
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
18
Перечень источников, список
дополнительной литературы
•
•
•
Юревич Е.И. Теория автоматического управления: Учебник
для вузов. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. 560 с. (Допущено
Министерством образования и науки в качестве учебника для
студентов вузов).
Мирошник И.В. Теория автоматического управления.
Линейные системы: Учебное пособие для вузов. СПб.: Питер,
2005. 336 с. (Рекомендовано УМО по университетскому
политехническому образованию в качестве учебного
пособия).
Никулин Е.А. Основы теории автоматического управления.
Частотные методы анализа и синтеза систем: Учебное
пособие для вузов. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 640 с.
(Допущено УМО по университетскому политехническому
образованию в качестве учебного пособия).
Основы теории управления, Раздел 2. Автоматические системы и задачи
теории управления , лекция 2
19