Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

§ 1.1. Сущность проблемы автоматического управления

Целенаправленные процессы, выполняемые человеком для удовлетворения различных потребностей, представляют собой организованную совокупность действий — операций, которые делят на два класса: рабочие операции и операции правления. К рабочим операциям относят действия, непосредственно необходимые для выполнения процесса в соответствии с. теми природными законами, которыми определяется ход процесса, например снятие стружки при обработке детали на станке, вращение вала двигателя и т. п. Замену труда человека в рабочих операциях называют механизацией, цель которой — освобождение человека от тяжелых операций, требующих больших затрат физической энергии (земляные работы, подъем грузов); во вредных операциях (химические, радиоактивные процессы); в однообразных, утомительных для нервной системы операциях (завинчивание однотипных винтов при сборке, заполнение большого количества типовых документов, выполнение большого объема стандартных вычислений и т. п.).

Для правильного и высококачественного выполнения рабочих операций их необходимо направлять действиями другого рода — операциями управления, которые обеспечивают в нужные моменты времени начало, порядок следования и

прекращение отдельных операций, обеспечивают выделение необходимых для их выполнения ресурсов, задают нужные параметры самому процессу: направление, скорость, ускорение рабочего инструмента, температуру, концентрацию в химическом процессе и т. д. Совокупность управляющих операций образует процесс управления.

Операции управления также частично или полностью могут выполнять технические устройства. Замену труда человека в операциях управления называют автоматизацией, а технические устройства, выполняющие операции управления, — автоматическими устройствами. Совокупность технических средств — машин, орудий труда, средств механизации, выполняющих данный процесс, — с точки зрения управления, - является объектом управления. Совокупность средств управления и объекта образует систему управления. Систему, в которой все рабочие и управляющие операции выполняют автоматические устройства, называют автоматической системой. Систему, в которой автоматизирована только часть операций, другая же их часть (обычно наиболее ответственная) сохраняется за людьми, называют автоматизированной (частично автоматической) системой.

Объектами и операциями управления охватываются технические процессы и агрегаты, группы агрегатов, цехи, предприятия, людские коллективы и организации и т. д.

Всякий технический процесс характеризуется совокупностью физических величин, называемых показателями, координатами, а иногда параметрами процесса. Будем избегать термина «параметр» в этом смысле, так как им обычно обозначают физические константы самих устройств. Для осуществления управления и построения управляемых систем нужны знания двоякого вида: во-первых, конкретные знания данного процесса, его технологии и, во-вторых, знание принципов и методов управления, общих для самых разнообразных объектов и процессов. Конкретные, специальные знания дают возможность установить, что и как следует изменять в системе, чтобы получить требуемый результат. Будем считать, что все это задано технологами, и будем изучать, абстрагируясь от частных свойств, только общие законы и методы управления и способы их реализации.

При автоматизации возникает необходимость в различных видах операций управления. К одному из видов относятся операции начала (включения), прекращения (отключения) данной операции и перехода от одной операции к другой (переключения).

Рис. 1.1

Различные аспекты этих видов операций рассматриваются в теории переключающих устройств и отчасти в теории расписаний, составляющих предмет других курсов.

Другая группа операций связана с контролем за координатами с целью установления, не вышли ли они за допустимые границы. Эта группа операций состоит в измерении значений координат и выдаче результатов измерения в удобной для человека-оператора форме. Операции этой группы рассматриваются в теории автоматического контроля.

Для правильного и высококачественного ведения процесса некоторые из его координат — управляемые координаты — должны поддерживаться в определенных границах или изменяться по определенному закону. Поэтому третью группу операций управления — операции по поддерживанию заданного закона изменения координат — изучают в теории автоматического управления, которой посвящена эта книга.

Необходимость в управлении значениями координат воз никает в том случае, когда нормальный ход процесса нарушается из-за различного рода возмущений, т. е. колебаний нагрузки, воздействий внешней среды или внутренних помех.

Пусть — совокупность управляемых координат процесса. В схеме, изображенной на рис. 1.1, а, б, объект представлен прямоугольником, а управляемые координаты, или, как их часто называют, выходные величины объекта, — одиночными стрелками, если они Скалярные величины или двойными при изображении вектора х. На схеме показаны также возмущающие воздействия и управляющие воздействия прикладываемые к управляющему органу объекта с помощью которого можно изменять координаты х. Величины х, и и z в зависимости от природы объекта связаны различными математическими зависимостями. В общем случае

где А — оператор, определяющий вид зависимости.

В простейшем случае, когда это обычная функциональная зависимость

объект называют статическим или безынерционным, а зависимость (1.2) или ее графическое изображение — статической характеристикой объекта (рис. 1.1, в).

Если объект обладает инерцией, то изменения координат под воздействием возмущений z или управлений и происходят не мгновенно и в этом случае объект называют динамическим. Величины х, и и z в динамических объектах связаны дифференциальными, интегральными или разностными уравнениями.

Изменения координат в нормальном требуемом ходе процесса определяются совокупностью правил, предписаний или математических зависимостей, называемой алгоритмом фунционироеания системы. Алгоритм функционирования составляется на основании технологических, экономических и других требований без учета динамических искажений. В теории автоматического регулирования алгоритм функционирования считают заданным.

Алгоритм управления будет зависеть как от алгоритма функционирования, так и от динамических свойств системы.