ГЛАВА ПЕРВАЯ. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ

1-1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Целенаправленные процессы, выполняемые человеком для удовлетворения различных потребностей, представляют собой организованную и упорядоченную совокупность действий, называемых операциями, которые делят на два класса: рабочие операции и операции управления. К рабочим операциям относят действия такого рода, как, например, снятие стружки при обработке детали на станке, перемещение груза и т.п. Замена человека в рабочих операциях механизмом называется механизацией. Цель механизации — освобождение человека от выполнения тяжелых операций, требующих больших затрат физической энергии (земляные работы, подъем грузов), от вредных операций (химические, радиоактивные процессы), от «рутинных» - однообразных операций, утомительных для нервной системы (завинчивание винтов и гаек при сборке, заполнение большого количества типовых документов, выполнение большого объема стандартных вычислений и т.п.).

Для правильного и качественного выполнения рабочих операций необходимо направлять их действиями другого рода — операциями управления, посредством которых в соответствующие моменты обеспечиваются начало, порядок следования и прекращение отдельных операций; процессу придаются нужные показатели — по направлению, скорости, ускорению рабочего инструмента, температуре, концентрации и т.д. Совокупность управляющих операций образует процесс управления.

Замена труда человека как в рабочих операциях, так и в операциях управления действиями технических устройств называется автоматизацией, а технические устройства, действующие без участия человека, — автоматическими устройствами. Совокупность технических средств — машин, орудий труда, средств механизации при этом является объектом управления. Совокупность устройств управления и объекта образует систему управления. Система, в которой все рабочие и управленческие операции выполняются техническими устройствами, называется автоматической системой. Система, в которой автоматизирована только часть управленческих операций, а другая их часть (обычно наиболее ответственная) выполняется людьми, называется автоматизированной системой управления (АСУ),

В данной книге рассматриваются такие процессы и закономерности управления, которые свойственны преимущественно управлению техническими объектами и процессами — технологическими процессами выработки материальной продукции, энергетическими процессами получения, преобразования и передачи энергии, транспортными процессами перемещения в пространстве грузов и пассажиров и т.д.

Всякий технический процесс характеризуется совокупностью физических величин, называемых показателями, выходными величинами, а иногда параметрами процесса (мы будем избегать термина «параметр» в этом смысле, так как им обычно обозначают физические константы самих устройств).

Для управления и построения управляющих систем используются, во-первых, конкретные сведения о данном процессе, во-вторых, принципы и методы управления, общие для самых разнообразных объектов и процессов. Конкретные сведения о процессе дают возможность установить основные цели управления и технологические средства. Будем считать, что необходимые сведения о процессе заданы, и будем изучать, абстрагируясь от конкретных частных свойств, только общие закономерности, способы управления и их реализацию.

Для правильного и качественного управления процессом некоторые из его показателей — управляемые величины — необходимо поддерживать в заданных границах или изменять по определенному закону. Этот вид операций управления, обеспечивающих поддержание заданного закона изменения управляемых величин, изучается в теории автоматического управления, которой и посвящена данная книга.

Необходимость в управлении возникает в том случае, когда нормальный ход процесса нарушается в результате различного рода возмущений — колебаний нагрузки, изменений внешней среды, внутренних помех.

Пусть — совокупность управляемых (выходных) величин; - совокупность возмущающих; - совокупность управляющих воздействий на управляющий орган объекта, с помощью которых осуществляется изменение х. Величины и и в зависимости от природы объекта могут связываться различными математическими зависимостями. В общем виде это можно записать так:

где А — оператор, определяющий вид зависимости. В простейшем случае, когда это обычная функциональная зависимость

объект является безынерционным. Зависимость (1-2) или ее графическое изображение называют характеристикой объекта.

Если объект обладает инерцией, то изменение координат под действием возмущений z или управлений и происходит не мгновенно. Объект в этом случае будет динамическим. В данной книге рассматриваются такие динамические объекты, в которых и связаны дифференциальными уравнениями.

Изменения выходных величин в требуемом нормальном ходе процесса определяются совокупностью правил, предписаний или математических зависимостей, называемых алгоритмом функционирования системы. Алгоритм функционирования составляется на основе технологических, экономических и других требований без учета динамических искажений. В теории автоматического управления алгоритмы функционирования считаются обычно заданными.

По заданному алгоритму функционирования должен быть построен алгоритм управления, определяющий такое изменение и, которым с заданной точностью обеспечивается выполнение алгоритма функционирования. Алгоритм управления зависит как от алгоритма функционирования, так и от динамических свойств системы.