Сегодня мы повсюду встречаемся с устройствами и системами, выполняющими различные простые и сложные операции без непосредственного участия человека. Такие устройства и системы называются – автоматическими системами. Для их правильного функционирования, обслуживания, управления, а также для разработки и проектирования таких систем требуются специальные знания. Все это изучает научная дисциплина, которая называется – автоматика.
Автоматика – это область теоретических и прикладных знаний об автоматически действующих технических устройствах и системах. Таким образом, ясно, что автоматика включает в себя как теорию автоматического регулирования и управления, так и совокупность технических средств, необходимых для построения автоматических систем.
Автоматический контроль предназначен для:
- сигнализации;
- автоматического измерения и индицирования;
- сбора информации.
Автоматическая сигнализация предназначена для оповещения о нормальных, предельных и аварийных значениях контролируемых параметров, а также для указания места и характера нарушений производственного процесса.
Автоматическое измерение служит для измерения и передачи на указательные и регистрирующие приборы различных параметров производственного процесса.
Автоматический сбор информации предназначен для получения общей информации о ходе производственного процесса, качестве выпускаемой продукции и т. п. Он предполагает возможность передачи, хранения и последующей обработки средствами вычислительной техники совокупности различных параметров производственного процесса.
Автоматическая защита служит для предотвращения ненормальных или аварийных режимов работы. В случае возникновения таких аварийных режимов система автоматической защиты может либо прекратить контролируемый процесс, либо вывести его из аварийного режима.
Автоматическое управление предназначено для целенаправленного изменения различных параметров производственного или технологического процесса. Разновидностью автоматического управления является автоматическое регулирование. Под этим понимается процесс поддержания или целенаправленного изменения какого-либо одного параметра. Автоматическое устройство, которое выполняет такую функцию, называется регулятором.
Структура систем автоматического управления
Автоматическая система управления любой сложности состоит из:
- объекта управления;
- автоматического управляющего устройства.
Состояние объекта характеризуется выходной величиной. В общем случае выходных величин несколько, и тогда состояние объекта характеризуется вектором.
В технике под объектом управления подразумевается техническое устройство или технологический процесс, некоторые физические параметры которого подлежат стабилизации или целенаправленным изменениям. Объект управления взаимодействует с внешней средой. Воздействие окружающей среды на объект управления называется возмущающим воздействием. Для того чтобы объект управления мог реагировать на внешние воздействия, от должен иметь орган управления, или регулирующий орган. Например, если объектом регулирования является электрическая печь сопротивления, то регулирующим органом у нее может быть реостат, автотрансформатор, либо тиристорный блок.
Автоматическим управляющим устройством называется устройство, осуществляющее воздействие на объект управления в соответствии с заложенным в нем законом (алгоритмом) управления. Обычно управляющее устройство действует на объект управления через орган управления.
Связь между различными элементами автоматической системы управления (например, связь между регулятором и регулирующим органом объекта управления; или связь между объектом управления и его регулирующим органом) осуществляется с помощью сигналов. Дадим определение сигнала.
Сигналами называются физические процессы, параметры которых содержат информацию. Например, в телефонной связи звук передается при помощи электрических сигналов. Параметры, содержащую информацию, называются информационными параметрами. Например, сигнал – электрический ток, информационный параметр – амплитуда тока или напряжения.
Те физические величины объекта управления, которые требуется стабилизировать, либо изменять по заданному закону называются регулируемыми параметрами. В термическом процессе (электрическая печь) таким регулируемым параметром является температура.
Все системы управления и регулирования делятся по различным признакам на следующие основные классы.
По принципу действия:
- разомкнутые системы;
- замкнутые системы;
- комбинированные системы;
Обратная связь – это такая связь, при которой информация о состоянии управляемого объекта передается с выхода системы на вход УУ.
Разомкнутая САУ осуществляется по задающему воздействию: поступающие извне команды приводят путем изменения управляющего воздействия к соответствующему изменению выходной величины объекта. Примером системы этого типа служит разомкнутая система программного управления напряжением синхронного генератора, или разомкнутой САУ является система автоматического управления по возмущению, или, как ее еще называют, система автоматической компенсации. Такие системы находят применение, в частности, когда задача управления сводится к поддержанию постоянства выходной величины объекта.
В замкнутых САУ на вход подаются задающее воздействие и выходная величина объекта. Исходя из полученных величин, УУ определяет соответствующее требуемое значение и, имея информацию о текущем значении, обеспечивает необходимое соответствие путей воздействия на объект.
Эти системы могут обеспечить принципиально неограниченную точность управления и представляют собой основной тип САУ.
Комбинированные САУ представляют собой объединение в одну систему замкнутой системы управления по отклонению и разомкнутой системы управления по внешнему воздействию.
Добавление к замкнутой системе управления разомкнутой системы компенсации влияния на выходную величину объекта какого-либо возмущения облегчает задачу замкнутой САУ и тем самым позволяет упростить ее и повысить точность управления. Лучшее качество управления в комбинированных системах объясняется тем, что в них наиболее полно используется информация об объекте и внешней ситуации.
Среди различных автоматических систем наибольшее распространение получили системы автоматического регулирования, в которых реализован принцип регулирования по отклонению.
Цель управления, формируемая задающим устройством в виде сигнала g(t), является по отношению к системе управления внешней информацией, поэтому на функциональных схемах задающее устройство можно не указывать, а сигнал g(t) рассматривать как входной сигнал. С учетом сказанного функциональная схема системы управления примет более простой вид.