Основные понятия теории управления и радиоавтоматики. Классификация систем управления

Какие основные классические принципы патримониальной бюрократии можно выделить в организации управления древнего Китая? В целом к рациональным элементам патримониальной бюрократии можно отнести следующие основные принципы сложившейся системы функционирования

Глава 11. Основные принципы организационного инжиниринга Прежде чем перейти к описанию особенностей формирования организационных структур, остановимся сначала на тех принципах организационного инжиниринга, которые Уинстон Черчилль использовал в своей практике.К ним

Видеть основные принципы Чтобы понять, не зародилась ли в недрах вашей отрасли мощная волна перемен, нужно проникнуть в самую суть ситуации, проанализировать ее до мельчайших подробностей. Вам следует накопить достаточно знаний и опыта, если хотите научиться как можно

Общие понятия

Теория автоматического управления (ТАУ) появилась во второй половине 19 века сначала как теория регулирования. Широкое применение паровых машин вызвало потребность в регуляторах, то есть в специальных устройствах, поддерживающих устойчивый режим работы паровой машины. Это дало начало научным исследованиям в области управления техническими объектами. Оказалось, что результаты и выводы данной теории могут быть применимы к управлению объектами различной природы с различными принципами действия. В настоящее время сфера ее влияния расширилась на анализ динамики таких систем, как экономические, социальные и т.п. Поэтому прежнее название “Теория автоматического регулирования” заменено на более широкое - “Теория автоматического управления”.

Управление каким-либо объектом (объект управления будем обозначать ОУ) есть воздействие на него в целях достижения требуемых состояний или процессов. В качестве ОУ может служить самолет, станок, электродвигатель и т.п. Управление объектом с помощью технических средств без участия человека называется автоматическим управлением . Совокупность ОУ и средств автоматического управления называется системой автоматического управления (САУ) .

Основной задачей автоматического управления является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин, характеризующих процессы, протекающие в ОУ, без непосредственного участия человека. Эти величины называются управляемыми величинами . Если в качестве ОУ рассматривается хлебопекарная печь, то управляемой величиной будет температура, которая должна изменяться по заданной программе в соответствии с требованиями технологического процесса.

Фундаментальные принципы управления

Принято различать три фундаментальных принципа управления: принцип разомкнутого управления, принцип компенсации, принцип обратной связи .

Принцип компенсации

Если возмущающий фактор искажает выходную величину до недопустимых пределов, то применяют принцип компенсации (рис.6, КУ - корректирующее устройство ).

Пусть y о - значение выходной величины, которое требуется обеспечить согласно программе. На самом деле из-за возмущения f на выходе регистрируется значение y . Величина e = y о - y называется отклонением от заданной величины . Если каким-то образом удается измерить величину f , то можно откорректировать управляющее воздействие u на входе ОУ, суммируя сигнал УУ с корректирующим воздействием, пропорциональным возмущению f и компенсирующим его влияние.

Примеры систем компенсации: биметаллический маятник в часах, компенсационная обмотка машины постоянного тока и т.п. На рис.6 в цепи НЭ стоит термосопротивление R t , величина которого меняется в зависимости от колебаний температуры окружающей среды, корректируя напряжение на НЭ.

Достоинство принципа компенсации : быстрота реакции на возмущения. Он более точен, чем принцип разомкнутого управления. Недостаток : невозможность учета подобным образом всех возможных возмущений.

Принцип обратной связи

Наибольшее распространение в технике получил принцип обратной связи (рис.7). Здесь управляющее воздействие корректируется в зависимости от выходной величины y(t) . И уже не важно, какие возмущения действуют на ОУ. Если значение y(t) отклоняется от требуемого, то происходит корректировка сигналаu(t) с целью уменьшения данного отклонения. Связь выхода ОУ с его входом называется главной обратной связью (ОС) .

В частном случае (рис.8) ЗУ формирует требуемое значение выходной величины y о (t) , которое сравнивается с действительным значением на выходе САУ y(t) . Отклонение e = y о -y с выхода сравнивающего устройства подается на вход регулятора Р, объединяющего в себе УУ, УО, ЧЭ.Если e 0 , то регулятор формирует управляющее воздействиеu(t) , действующее до тех пор, пока не обеспечится равенство e = 0 , или y = y о . Так как на регулятор подается разность сигналов, то такая обратная связь называется отрицательной , в отличие от положительной обратной связи , когда сигналы складываются.

Такое управление в функции отклонения называется регулированием , а подобную САУ называют системой автоматического регулирования (САР). Так на рис.9 изображена упрощенная схема САР хлебопекарной печи. Роль ЗУ здесь выполняет потенциометр, напряжение на котором U з сравнивается с напряжением на термопаре U т. Их разность U через усилитель подается на исполнительный двигатель ИД, регулирующий через редуктор положение движка реостата в цепи НЭ. Наличие усилителя говорит о том, что данная САР является системой непрямого регулирования , так как энергия для функций управления берется от посторонних источников питания, в отличие от систем прямого регулирования , в которых энергия берется непосредственно от ОУ, как, например, в САР уровня воды в баке (рис.10).

Недостатком принципа обратной связи является инерционность системы. Поэтому часто применяют комбинацию данного принципа с принципом компенсации , что позволяет объединить достоинства обоих принципов: быстроту реакции на возмущение принципа компенсации и точность регулирования независимо от природы возмущений принципа обратной связи.

Вопросы

1. Что называется управлением?
2. Что называется автоматическим управлением?
3. Что называется системой автоматического управления?
4. Что является основной задачей автоматического управления?
5. Что называется объектом управления?
6. Что называется управляемой величиной?
7. Что называется управляющим органом?
8. Что называется чувствительным элементом?
9. Что такое входная и выходная величины?
10. Что называется управляющим воздействием?
11. Что называется возмущением?
12. Что называется отклонением от заданной величины?
13. Что называется управляющим устройством?
14. Что называется задающим устройством?
15. Что называется функциональной схемой и из чего она состоит?
16. В чем отличие сигнала от физической величины?
17. В чем суть принципа разомкнутого управления?
18. В чем суть принципа компенсации?
19. В чем суть принципа обратной связи?
20. Перечислите достоинства и недостатки принципов управления?
21. Какой частный случай управления называется регулированием?
22. В чем отличие систем прямого и непрямого регулирования?

Основные виды САУ

В зависимости от принципа и закона функционирования ЗУ, задающего программу изменения выходной величины, различают основные виды САУ: системы стабилизации, программные, следящие и самонастраивающиеся системы, среди которых можно выделить экстремальные, оптимальные и адаптивные системы.

В системах стабилизации (рис.9,10) обеспечивается неизменное значение управляемой величины при всех видах возмущений, т.е. y(t) = const. ЗУ формирует эталонный сигнал, с которым сравнивается выходная величина. ЗУ, как правило, допускает настройку эталонного сигнала, что позволяет менять по желанию значение выходной величины.

В программных системах обеспечивается изменение управляемой величины в соответствии с программой, формируемой ЗУ. В качестве ЗУ может использоваться кулачковый механизм, устройство считывания с перфоленты или магнитной ленты и т.п. К этому виду САУ можно отнести заводные игрушки, магнитофоны, проигрыватели и т.п. Различают системы с временной программой (например, рис.1), обеспечивающие y = f(t) , и системы с пространственной программой , в которых y = f(x) , применяемые там, где на выходе САУ важно получить требуемую траекторию в пространстве, например, в копировальном станке (рис.11), закон движения во времени здесь роли не играет.

Следящие системы отличаются от программных лишь тем, что программа y = f(t) или y = f(x) заранее неизвестна. В качестве ЗУ выступает устройство, следящее за изменением какого-либо внешнего параметра. Эти изменения и будут определять изменения выходной величины САУ. Например, рука робота, повторяющая движения руки человека.

Все три рассмотренные вида САУ могут быть построены по любому из трех фундаментальных принципов управления. Для них характерно требование совпадения выходной величины с некоторым предписанным значением на входе САУ, которое само может меняться. То есть в любой момент времени требуемое значение выходной величины определено однозначно.

В самонастраивающихся системах ЗУ ищет такое значение управляемой величины, которое в каком-то смысле является оптимальным.

Так в экстремальных системах (рис.12) требуется, чтобы выходная величина всегда принимала экстремальное значение из всех возможных, которое заранее не определено и может непредсказуемо изменяться. Для его поиска система выполняет небольшие пробные движения и анализирует реакцию выходной величины на эти пробы. После этого вырабатывается управляющее воздействие, приближающее выходную величину к экстремальному значению. Процесс повторяется непрерывно. Так как в данных САУ происходит непрерывная оценка выходного параметра, то они выполняются только в соответствии с третьим принципом управления: принципом обратной связи.

Оптимальные системы являются более сложным вариантом экстремальных систем. Здесь происходит, как правило, сложная обработка информации о характере изменения выходных величин и возмущений, о характере влияния управляющих воздействий на выходные величины, может быть задействована теоретическая информация, информация эвристического характера и т.п. Поэтому основным отличием экстремальных систем является наличие ЭВМ. Эти системы могут работать в соответствии с любым из трех фундаментальных принципов управления.

В адаптивных системах предусмотрена возможность автоматической перенастройки параметров или изменения принципиальной схемы САУ с целью приспособления к изменяющимся внешним условиям. В соответствии с этим различают самонастраивающиеся и самоорганизующиеся адаптивные системы.

Все виды САУ обеспечивают совпадение выходной величины с требуемым значением. Отличие лишь в программе изменения требуемого значения. Поэтому основы ТАУ строятся на анализе самых простых систем: систем стабилизации. Научившись анализировать динамические свойства САУ, мы учтем все особенности более сложных видов САУ.

Статические характеристики

Режим работы САУ, в котором управляемая величина и все промежуточные величины не изменяются во времени, называется установившимся , или статическим режимом . Любое звено и САУ в целом в данном режиме описывается уравнениями статики вида y = F(u,f) , в которых отсутствует время t . Соответствующие им графики называются статическими характеристиками . Статическая характеристика звена с одним входом u может быть представлена кривой y = F(u) (рис.13). Если звено имеет второй вход по возмущениюf , то статическая характеристика задается семейством кривых y = F(u) при различных значенияхf , или y = F(f) при различных u .

Так примером одного из функциональных звеньев системы регулирования воды в баке (см. выше) является обычный рычаг (рис.14). Уравнение статики для него имеет вид y = Ku . Его можно изобразить звеном, функцией которого является усиление (или ослабление) входного сигнала в K раз. КоэффициентK = y/u , равный отношению выходной величины к входной называется коэффициентом усиления звена. Когда входная и выходная величины имеют разную природу, его называют коэффициентом передачи .

Статическая характеристика данного звена имеет вид отрезка прямой линии с наклоном a = arctg(L 2 /L 1) = arctg(K) (рис.15). Звенья с линейными статическими характеристиками называются линейными . Статические характеристики реальных звеньев, как правило, нелинейны. Такие звенья называются нелинейными . Для них характерна зависимость коэффициента передачи от величины входного сигнала:K = y/ u const .

Например, статическая характеристика насыщенного генератора постоянного тока представлена на рис.16. Обычно нелинейная характеристика не может быть выражена какой-либо математической зависимостью и ее приходится задавать таблично или графически.

Зная статические характеристики отдельных звеньев, можно построить статическую характеристику САУ (рис.17, 18). Если все звенья САУ линейные, то САУ имеет линейную статическую характеристику и называется линейной . Если хотя бы одно звено нелинейное, то САУ нелинейная .

Звенья, для которых можно задать статическую характеристику в виде жесткой функциональной зависимости выходной величины от входной, называются статическими . Если такая связь отсутствует и каждому значению входной величины соответствует множество значений выходной величины, то такое звено называется астатическим . Изображать его статическую характеристику бессмысленно. Примером астатического звена может служить двигатель, входной величиной которого является напряжение U , а выходной - угол поворота вала , величина которого при U = const может принимать любые значения. Выходная величина астатического звена даже в установившемся режиме является функцией времени.

Вопросы

1. Перечислите и дайте краткую характеристику основных видов САУ?
2. Что называется статическим режимом САУ?
3. Что называется статическими характеристиками САУ?
4. Что называется уравнением статики САУ?
5. Что называется коэффициентом передачи, в чем отличие от коэффициента усиления?
6. В чем отличие нелинейных звеньев от линейных?
7. Как построить статическую характеристику нескольких звеньев?
8. В чем отличие астатических звеньев от статических?
9. В чем отличие астатического регулирования от статического?
10. Как сделать статическую САР астатической?
11. Что называется статической ошибкой регулятора, как ее уменьшить?
12. Что называется статизмом САР?
13. Назовите достоинства и недостатки статического и астатического регулирования?

3.1. Динамический режим САУ.
Уравнение динамики

Установившийся режим не является характерным для САУ. Обычно на управляемый процесс действуют различные возмущения, отклоняющие управляемый параметр от заданной величины. Процесс установления требуемого значения управляемой величины называется регулированием . Ввиду инерционности звеньев регулирование не может осуществляться мгновенно.

Рассмотрим САР, находящуюся в установившемся режиме, характеризующемся значением выходной величины y = y o . Пусть в момент t = 0 на объект воздействовал какой - либо возмущающий фактор, отклонив значение регулируемой величины. Через некоторое время регулятор вернет САР к первоначальному состоянию (с учетом статической точности) (рис.24). Если регулируемая величина изменяется во времени по апериодическому закону, то процесс регулирования называется апериодическим .

При резких возмущениях возможен колебательный затухающий процесс (рис.25а). Существует и такая вероятность, что после некоторого времени Т р в системе установятся незатухающие колебания регулируемой величины - незатухающий колебательный процесс (рис.25б). Последний вид - расходящийся колебательный процесс (рис.25в).

Таким образом, основным режимом работы САУ считается динамический режим , характеризующийся протеканием в ней переходных процессов . Поэтому второй основной задачей при разработке САУ является анализ динамических режимов работы САУ .

Поведение САУ или любого ее звена в динамических режимах описывается уравнением динамики y(t) = F(u,f,t) , описывающее изменение величин во времени. Как правило, это дифференциальное уравнение или система дифференциальных уравнений. Поэтому основным методом исследования САУ в динамических режимах является метод решения дифференциальных уравнений . Порядок дифференциальных уравнений может быть довольно высоким, то есть зависимостью связаны как сами входные и выходные величины u(t), f(t), y(t) , так и скорости их изменения, ускорения и т.д. Поэтому уравнение динамики в общем виде можно записать так:

F(y, y’, y”,..., y (n) , u, u’, u”,..., u (m) , f, f ’, f ”,..., f (k)) = 0 .

Передаточная функция

В ТАУ часто используют операторную форму записи дифференциальных уравнений. При этом вводится понятие дифференциального оператораp = d/dt так, что, dy/dt = py , а p n = d n /dt n . Это лишь другое обозначение операции дифференцирования. Обратная дифференцированию операция интегрирования записывается как 1/p . В операторной форме исходное дифференциальное уравнение записывается как алгебраическое:

a o p (n) y + a 1 p (n-1) y + ... + a n y = (a o p (n) + a 1 p (n-1) + ... + a n)y = (b o p (m) + b 1 p (m-1) + ... + bm)u

Не надо путать эту форму записи с операционным исчислением хотя бы потому, что здесь используются непосредственно функции времени y(t), u(t) (оригиналы ), а не их изображения Y(p), U(p) , получаемые из оригиналов по формуле преобразования Лапласа. Вместе с тем при нулевых начальных условиях с точностью до обозначений записи действительно очень похожи. Это сходство лежит в природе дифференциальных уравнений. Поэтому некоторые правила операционного исчисления применимы к операторной форме записи уравнения динамики. Так оператор p можно рассматривать в качестве сомножителя без права перестановки, то есть py yp . Его можно выносить за скобки и т.п.

Поэтому уравнение динамики можно записать также в виде:

Дифференциальный оператор W(p) называют передаточной функцией . Она определяет отношение выходной величины звена к входной в каждый момент времени: W(p) = y(t)/u(t) , поэтому ее еще называют динамическим коэффициентом усиления . В установившемся режиме d/dt = 0 , то есть p = 0 , поэтому передаточная функция превращается в коэффициент передачи звенаK = b m /a n .

Знаменатель передаточной функции D(p) = a o p n + a 1 p n - 1 + a 2 p n - 2 + ... + a n называют характеристическим полиномом . Его корни, то есть значения p, при которых знаменатель D(p) обращается в ноль, а W(p) стремится к бесконечности, называются полюсами передаточной функции .

Числитель K(p) = b o p m + b 1 p m - 1 + ... + b m называют операторным коэффициентом передачи . Его корни, при которых K(p) = 0 и W(p) = 0 , называются нулями передаточной функции .

Звено САУ с известной передаточной функцией называется динамическим звеном . Оно изображается прямоугольником, внутри которого записывается выражение передаточной функции. То есть это обычное функциональное звено, функция которого задана математической зависимостью выходной величины от входной в динамическом режиме. Для звена с двумя входами и одним выходом должны быть записаны две передаточные функции по каждому из входов. Передаточная функция является основной характеристикой звена в динамическом режиме, из которой можно получить все остальные характеристики. Она определяется только параметрами системы и не зависит от входных и выходных величин. Например, одним из динамических звеньев является интегратор. Его передаточная функция W и (p) = 1/p . Схема САУ, составленная из динамических звеньев, называется структурной .

Вопросы

1. Какой режим САУ называется динамическим?
2. Что называется регулированием?
3. Назовите возможные виды переходных процессов в САУ. Какие из них являются допустимыми для нормальной работы САУ?
4. Что называется уравнением динамики? Каков его вид?
5. Как провести теоретическое исследование динамики САУ?
6. Что называется линеаризацией?
7. В чем геометрический смысл линеаризации?
8. В чем состоит математическое обоснование линеаризации?
9. Почему уравнение динамики САУ называется уравнением в отклонениях?
10. Справедлив ли для уравнения динамики САУ принцип суперпозиции? Почему?
11. Как звено с двумя и более входами представить схемой, состоящей из звеньев с одним входом?
12. Запишите линеаризованное уравнение динамики в обычной и в операторной формах?
13. В чем смысл и какими свойствами обладает дифференциальный оператор p?
14. Что называется передаточной функцией звена?
15. Запишите линеаризованное уравнение динамики с использованием передаточной функции. Справедлива ли эта запись при ненулевых начальных условиях? Почему?
16. Напишите выражение для передаточной функции звена по известному линеаризованному уравнению динамики: (0.1p + 1)py(t) = 100u(t).
17. Что называется динамическим коэффициентом усиления звена?
18. Что называется характеристическим полиномом звена?
19. Что называется нулями и полюсами передаточной функции?
20. Что называется динамическим звеном?
21. Что называется структурной схемой САУ?
22. Что называется элементарными и типовыми динамическими звеньями?
23. Как сложную передаточную функцию разложить на передаточные функции типовых звеньев?

4.1. Эквивалентные преобразования структурных схем

Структурная схема САУ в простейшем случае строится из элементарных динамических звеньев. Но несколько элементарных звеньев могут быть заменены одним звеном со сложной передаточной функцией. Для этого существуют правила эквивалентного преобразования структурных схем. Рассмотрим возможные способы преобразований.

1. Последовательное соединение (рис.28) - выходная величина предшествующего звена подается на вход последующего. При этом можно записать:

y 1 = W 1 y o ; y 2 = W 2 y 1 ; ...; y n = W n y n - 1 = >

y n = W 1 W 2 .....W n .y o = W экв y o ,

где .

То есть цепочка последовательно соединенных звеньев преобразуется в эквивалентное звено с передаточной функцией, равной произведению передаточных функций отдельных звеньев.

2. Параллельно - согласное соединение (рис.29) - на вход каждого звена подается один и тот же сигнал, а выходные сигналы складываются. Тогда:

y = y 1 + y 2 + ... + y n = (W 1 + W 2 + ... + W3)y o = W экв y o ,

где .

То есть цепочка звеньев, соединенных параллельно - согласно, преобразуется в звено с передаточной функцией, равной сумме передаточных функций отдельных звеньев.

3. Параллельно - встречное соединение (рис. 30а) - звено охвачено положительной или отрицательной обратной связью. Участок цепи, по которому сигнал идет в противоположном направлении по отношению к системе в целом (то есть с выхода на вход) называется цепью обратной связи с передаточной функцией W ос . При этом для отрицательной ОС:

y = W п u; y 1 = W ос y; u = y o - y 1 ,

следовательно

y = W п y o - W п y 1 = W п y o - W п W oc y = >

y(1 + W п W oc) = W п y o = > y = W экв y o ,

где .

Аналогично: - для положительной ОС.

Если W oc = 1 , то обратная связь называется единичной (рис.30б), тогда W экв = W п /(1 ± W п).

Замкнутую систему называют одноконтурной , если при ее размыкании в какой либо точке получают цепочку из последовательно соединенных элементов (рис.31а). Участок цепи, состоящий из последовательно соединенных звеньев, соединяющий точку приложения входного сигнала с точкой съема выходного сигнала называетсяпрямой цепью (рис.31б, передаточная функция прямой цепи W п = Wo W 1 W 2) . Цепь из последовательно соединенных звеньев, входящих в замкнутый контур называют разомкнутой цепью (рис.46в, передаточная функция разомкнутой цепи W p = W 1 W 2 W 3 W 4 ). Исходя из приведенных выше способов эквивалентного преобразования структурных схем, одноконтурная система может быть представлена одним звеном с передаточной функцией: W экв = W п /(1 ± W p) - передаточная функция одноконтурной замкнутой системы с отрицательной ОС равна передаточной функции прямой цепи, деленной на единицу плюс передаточная функция разомкнутой цепи. Для положительной ОС в знаменателе знак минус. Если сменить точку снятия выходного сигнала, то меняется вид прямой цепи. Так, если считать выходным сигналy 1 на выходе звена W 1 , то W p = Wo W 1 . Выражение для передаточной функции разомкнутой цепи не зависит от точки снятия выходного сигнала.

Замкнутые системы бывают одноконтурными и многоконтурной (рис.32).Чтобы найти эквивалентную передаточную функцию для данной схемы нужно сначала осуществить преобразование отдельных участков.

Если многоконтурная система имеет перекрещивающиеся связи (рис.33), то для вычисления эквивалентной передаточной функции нужны дополнительные правила:

4. При переносе сумматора через звено по ходу сигнала необходимо добавить звено с передаточной функцией того звена, через которое переносится сумматор. Если сумматор переносится против хода сигнала, то добавляется звено с передаточной функцией, обратной передаточной функции звена, через которое переносим сумматор (рис.34).

Так с выхода системы на рис.34а снимается сигнал

y 2 = (f + y o W 1)W 2 .

Такой же сигнал должен сниматься с выходов систем на рис.34б:

y 2 = fW 2 + y o W 1 W 2 = (f + y o W 1)W 2 ,

и на рис.34в:

y 2 = (f(1/W 1) + y o)W 1 W 2 = (f + y o W 1)W 2 .

При подобных преобразованиях могут возникать неэквивалентные участки линии связи (на рисунках они заштрихованы).

5. При переносе узла через звено по ходу сигнала добавляется звено с передаточной функцией, обратной передаточной функции звена, через которое переносим узел. Если узел переносится против хода сигнала, то добавляется звено с передаточной функцией звена, через которое переносится узел (рис.35). Так с выхода системы на рис.35а снимается сигнал

y 1 = y o W 1 .

Такой же сигнал снимается с выходов рис.35б:

y 1 = y o W 1 W 2 /W 2 = y o W 1

y 1 = y o W 1 .

6. Возможны взаимные перестановки узлов и сумматоров: узлы можно менять местами (рис. 36а); сумматоры тоже можно менять местами (рис.36б); при переносе узла через сумматор необходимо добавить сравнивающий элемент (рис.36в: y = y 1 + f 1 = > y 1 = y - f 1 ) или сумматор (рис.36г: y = y 1 + f 1 ).

Во всех случаях переноса элементов структурной схемы возникают неэквивалентные участки линии связи, поэтому надо быть осторожным в местах съема выходного сигнала.

При эквивалентных преобразованиях одной и той же структурной схемы могут быть получены различные передаточные функции системы по разным входам и выходам. Так на рис.48 имеется два входа: по управляющему воздействию u и возмущению f при одном выходе y . Такая схема может быть преобразована к одному звену с двумя передаточными функциями W uy и W fy .

Вопросы

1. Перечислите типичные схемы соединения звеньев САУ?
2. Как преобразовать цепь последовательно соединенных звеньев к одному звену?
3. Как преобразовать цепь параллельно соединенных звеньев к одному звену?
4. Как преобразовать обратную связь к одному звену?
5. Что называется прямой цепью САУ?
6. Что называется разомкнутой цепью САУ?
7. Как перенести сумматор через звено по ходу и против движения сигнала?
8. Как перенести узел через звено по ходу и против движения сигнала?
9. Как перенести узел через узел по ходу и против движения сигнала?
10. Как перенести сумматор через сумматор по ходу и против движения сигнала?
11. Как перенести узел через сумматор и сумматор через узел по ходу и против движения сигнала?
12. Что называется неэквивалентными участками линий связи в структурных схемах?
13. Каково назначение САР напряжения генератора постоянного тока?

Дифференцирующее звено

Различают идеальное и реальное дифференцирующие звенья. Уравнение динамики идеального звена: y(t) = , или y = kpu . Здесь выходная величина пропорциональна скорости изменения входной величины. Передаточная функция: W(p) = kp . При k = 1 звено осуществляет чистое дифференцирование W(p) = p . Переходная характеристика:h(t) = k 1’(t) = d(t) .

Идеальное дифференцирующее звено реализовать невозможно, так как величина всплеска выходной величины при подаче на вход единичного ступенчатого воздействия всегда ограничена. На практике используют реальные дифференцирующие звенья, осуществляющие приближенное дифференцирование входного сигнала.

Его уравнение: Tpy + y = kTpu .

Передаточная функция: W(p) = .

При малых Т звено можно рассматривать как идеальное дифференцирующее. Переходную характеристики можно вывести с помощью формулы Хевисайда:

здесь p 1 = - 1/T - корень характеристического уравненияD(p) = Tp + 1 = 0 ; кроме того, D’(p 1) = T .

При подаче на вход единичного ступенчатого воздействия выходная величина оказывается ограничена по величине и растянута во времени (рис.47). По переходной характеристике, имеющей вид экспоненты, можно определить передаточный коэффициентk и постоянную времени Т . Примерами таких звеньев могут являться четырехполюсник из сопротивления и емкости или сопротивления и индуктивности, демпфер и т.п. Дифференцирующие звенья являются главным средством, применяемым для улучшения динамических свойств САУ.

Кроме рассмотренных имеется еще ряд звеньев, на которых подробно останавливаться не будем. К ним можно отнести идеальное форсирующее звено (W(p) = Tp + 1 , практически не реализуемо), реальное форсирующее звено (W(p) = , при T 1 >> T 2 ), запаздывающее звено (W(p) = e - pT ), воспроизводящее входное воздействие с запаздыванием по времени и другие.

Вопросы

1. Что называется и какие Вы знаете типовые входные воздействия? Для чего они нужны?
2. Что называется переходной характеристикой?
3. Что называется импульсной переходной характеристикой?
4. Что называется временными характеристиками?
5. Для чего служит формула Хевисайда?
6. Как получить кривую переходного процесса при сложной форме входного воздействия, если известна переходная характеристика звена?
7. Что называется безынерционным звеном, его уравнение динамики, передаточная функция, вид переходной характеристики?
8. Что называется интегрирующим звеном, его уравнение динамики, передаточная функция, вид переходной характеристики?
9. Что называется апериодическим звеном, его уравнение динамики, передаточная функция, вид переходной характеристики?
10. Что называется колебательным звеном, его уравнение динамики, передаточная функция, вид переходной характеристики?
) = 0.

ЛАЧХ: L() = 20lgk.

Некоторые ЧХ показаны на рис.50. Звено пропускает все частоты одинаково c увеличением амплитуды в k раз и без сдвига по фазе.

Интегрирующее звено

Передаточная функция:

Рассмотрим частный случай, когда k = 1, то есть

АФЧХ: W(j ) = .

ВЧХ: P() = 0.

Лекция 1. Принципы управления. 2

1.1. Общие понятия. 2

Лекция 2. Статический режим САУ.. 7

2.1. Основные виды САУ.. 7

Лекция 3. Динамический режим САУ.. 12

3.1. Динамический режим САУ. Уравнение динамики. 12

3.3. Передаточная функция. 15

3.4. Элементарные динамические звенья. 16

Лекция 4. Структурные схемы САУ.. 17

4.1. Эквивалентные преобразования структурных схем. 17

4.2. САР напряжения генератора постоянного тока. 22

Лекция 5. Временные характеристики. 24

5.1. Понятие временных характеристик. 24

5.2. Переходные характеристики элементарных звеньев. 26

5.2.1. Безынерционное (пропорциональное, усилительное) звено. 26

5.2.2. Интегрирующее (астатическое) звено. 26

5.2.3. Инерционное звено первого порядка (апериодическое) 27

5.2.4. Инерционные звенья второго порядка. 28

5.2.5. Дифференцирующее звено. 28

Лекция 6. Частотные характеристики. 29

6.2. Частотные характеристики типовых звеньев. 32

6.2.1. Безынерционное звено. 32

6.2.2. Интегрирующее звено. 33

6.2.3. Апериодическое звено. 33

6.2.4. Инерционные звенья второго порядка. 34

6.2.5. Правила построения ЧХ элементарных звеньев. 35

Лекция 7. ЧХ разомкнутых САУ.. 36

7.1. Частотные характеристики разомкнутых одноконтурных САУ.. 36

7.2. Законы регулирования. 39

Лекция 8. Алгебраические критерии устойчивости. 40

8.1. Понятие устойчивости системы.. 40

8.2. Алгебраические критерии устойчивости. 43

8.2.1. Необходимое условие устойчивости. 43

8.2.1. Критерий Рауса. 44

8.2.2. Критерий Гурвица. 44

Лекция 9. Частотные критерии устойчивости. 46

9.1. Принцип аргумента. 46

9.2. Критерий устойчивости Михайлова. 47

9.3. Критерий устойчивости Найквиста. 48

Лекция 10. D-разбиение. Запас устойчивости. 50

10.1. Понятие структурной устойчивости. АФЧХ астатических САУ.. 50

10.2. Понятие запаса устойчивости. 52

10.3. Анализ устойчивости по ЛЧХ.. 53

Лекция 11. Качество САУ.. 54

11.1. Теоретическое обоснование метода D-разбиений. 54

11.2. D-разбиение по одному параметру. 56

11.3. Прямые методы оценки качества управления. 56

11.3.1. Оценка переходного процесса при ступенчатом воздействии. 57

11.3.2. Оценка качества управления при периодических возмущениях. 58

Лекция 12. Корневой и интегральный методы оценки качества САУ.. 59

12.1. Корневой метод оценки качества управления. 59

Лекция 13. Частотные методы оценки качества. 64

13.1. Теоретическое обоснование. 64

13.2. Основные соотношения между ВЧХ и переходной характеристикой. 65

13.3. Метод трапеций. 67

Лекция 14. Синтез САУ.. 69

14.1. Синтез САУ.. 69




14.1.1. Включение корректирующих устройств. 70

14.1.2. Синтез корректирующих устройств. 72

14.2. Коррекция свойств САУ изменением параметров звеньев. 72

14.2.2. Изменение постоянной времени звена САУ.. 74

Лекция 1. Принципы управления

Общие понятия

Теория автоматического управления (ТАУ) появилась во второй половине 19 века сначала как теория регулирования. Широкое применение паровых машин вызвало потребность в регуляторах, то есть в специальных устройствах, поддерживающих устойчивый режим работы паровой машины. Это дало начало научным исследованиям в области управления техническими объектами. Оказалось, что результаты и выводы данной теории могут быть применимы к управлению объектами различной природы с различными принципами действия. В настоящее время сфера ее влияния расширилась на анализ динамики таких систем, как экономические, социальные и т.п. Поэтому прежнее название “Теория автоматического регулирования” заменено на более широкое - “Теория автоматического управления”.

Управление каким-либо объектом (объект управления будем обозначать ОУ) есть воздействие на него в целях достижения требуемых состояний или процессов. В качестве ОУ может служить самолет, станок, электродвигатель и т.п. Управление объектом с помощью технических средств без участия человека называется автоматическим управлением . Совокупность ОУ и средств автоматического управления называется системой автоматического управления (САУ) .

Основной задачей автоматического управления является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин, характеризующих процессы, протекающие в ОУ, без непосредственного участия человека. Эти величины называются управляемыми величинами . Если в качестве ОУ рассматривается хлебопекарная печь, то управляемой величиной будет температура, которая должна изменяться по заданной программе в соответствии с требованиями технологического процесса.

Фундаментальные принципы управления

Принято различать три фундаментальных принципа управления: принцип разомкнутого управления, принцип компенсации, принцип обратной связи .

В основе построения САУ лежат общие фундаментальные принципы управления, определяющие, каким образом согласуются алгоритмы функционирования и управления с фактическим функционированием или причинами, вызывающими отклонение функционирования от заданного. В технике известны и применяются три фундаментальных принципа: разомкнутого управления, компенсации и обратной связи.

Принцип разомкнутого управления состоит в том, что алгоритм управления вырабатывается только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируется по другим факторам - возмущениям или выходным координатам процесса (рис. 1, а). Задание алгоритма функционирования может вырабатываться как специальным техническим устройством - задатчиком программы, так и выполняться заранее при проектировании системы и затем непосредственно использоваться при конструировании УУ. В последнем случае задатчик программы отсутствует. В обоих случаях схема имеет вид разомкнутой цепи, в которой основное воздействие передается от входа к выходу, как показано стрелками. Несмотря на очевидные недостатки (низкая точность управления при изменении возмущающих воздействий и отсутствие контроля выходной координаты) этот принцип используют очень широко.




Рис. 1. Функциональные структуры систем управления с цепями воздействий: разомкнутой - а, в, замкнутой - б и комбинированной - г

Принцип компенсации (управление по возмущению). Если возмущающие воздействия настолько велики, что разомкнутая цепь не обеспечивает требуемой точности выполнения алгоритма функционирования, то для повышения точности вводят коррективы в алгоритм управления, которые компенсировали бы влияние измеряемого возмущения (рис.1, в).

Принципиальная схема системы стабилизации напряжения электромашинного усилителя (ЭМУ) путем компенсации возмущения приведена на рис. 2. Задающее воздействие подается на задающую обмотку возбуждения ОУ1 и определяет величину выходного напряжения ЭМУ. Возмущающим воздействием является ток нагрузки ЭМУ, при увеличении которого (за счет уменьшения сопротивления нагрузки) снижается выходное напряжение из-за падения напряжения на сопротивлении продольной цепи якоря ЭМУ: , где - полное сопротивление цепи якоря, - ЭДС ЭМУ. При увеличении тока якоря увеличивается пропорционально ему падение напряжения на дополнительном сопротивлении, предназначенном для измерения возмущения. Это напряжение поступает на управляющую обмотку возбуждения ОУ2 и увеличивает поток возбуждения. Суммарный поток возрастает, и величина напряжения на выходе ЭМУ восстанавливается.



Если возмущающее воздействие не может быть непосредственно измерено, то его определяют косвенным путем, что приводит к снижению точности управления. Если же возмущающее воздействие измеряемо, то можно добиться его полной компенсации с нулевой ошибкой отклонения выходной координаты в статическом режиме.




Рис. 2.

Принцип обратной связи. Регулирование по отклонению. Систему можно построить и так, чтобы точность выполнения алгоритма обеспечивалась и без измерения возмущения. На рис.1, в показана структура САУ, в которой коррективы в алгоритм управления вносятся по фактическому значению выходной координаты. На вход управляющего устройства поступают как внешнее (задающее) воздействие, так и внутреннее (контрольное). Внутреннее воздействие образует цепь отрицательной обратной связи по выходной координате и делает систему замкнутой.

Управляющее воздействие в замкнутой системе формируется в большинстве случаев в зависимости от величины и знака отклонения истинного значения выходной (управляемой) координаты от ее заданного значения:

где - сигнал ошибки (называемый также сигналом рассогласования). Замкнутые системы называют часто "САУ по отклонению".



В замкнутой системе контролируется непосредственно выходная координата, и тем самым при формировании управляющих воздействий учитывается действие всех возмущений, влияющих на выходную координату. В этом заключается преимущество замкнутых систем. В то же время сам принцип действия замкнутых систем (принцип управления по отклонению) допускает нежелательные изменения выходной координаты: вначале возмущение должно появиться на выходе, система "почувствует" отклонение и лишь потом выработает управляющее воздействие, направленное на устранение отклонения. Такая инерционность снижает эффективность управления. Несмотря на определенные недостатки этот принцип имеет широкое применение.

На рис.3 представлена принципиальная схема системы управления частотой вращения электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения. Управление двигателем осуществляется от электромашинного усилителя AМP, который приводится во вращение асинхронным двигателем (АМ). Частота вращения приводного двигателя измеряется датчиком скорости BR. Сигнал, пропорциональный частоте вращения, через усилитель (У) поступает на одну из обмоток управления ОУ2 в качестве сигнала главной отрицательной обратной связи по частоте вращения. Обмотка управления ОУ1 является задающей и определяет заданное значение частоты вращения. Так как обмотки управления включены встречно, то они же выполняют и функцию элемента сравнения. Потенциометр R предназначен для настройки коэффициента передачи цепи обратной связи.



Рис.3

В ряде случаев эффективно применение комбинированного управления по возмущению и отклонению (см. рис.1, г). Комбинированные регуляторы объединяют достоинства обоих принципов - быстроту реакции на изменение возмущений и точное регулирование независимо от того, какая причина вызвала отклонение.




В основе корпоративного управления лежат фундаментальные принципы управления П. Друкера, предложенные им в 1980-х гг. .

Первый принцип. Управление - это ключевой решающий фактор развития цивилизации. Управление позволяет эффективно реализовать сильные стороны людей, а слабые устранять. П. Друкер подчеркивал, что работу всегда следует организовать таким образом, чтобы сила, инициативность, ответственность и компетенция, присущие отдельным членам коллектива, стали бы источником стабильности и высокой производительности всей группы» .

Второй принцип. Влияние культурных и исторических традиций на управление. Как хорошо сказал Сальвадор Дали: “Традиция - это смена кожи, обретение новой, твоей и только твоей кожи, но в то же время запрограммированной природой и от того неизбежной”.

Наиболее значимые отличия в традициях можно рассмотреть через:

Социокультурные особенности - особенности людей, их менталитета, своеобразие норм, целей и ценностей («Люди здесь такие»);

Особенности организации - специфика поведения человека в организации и проблемы, характерные для деятельности организации («Организации здесь такие»),

Особенности менеджмента традиция осуществления управленческой деятельности которая сложилась в какой-либо стране

Вспомним, какой отклик получила карикатура на пророка, напечатанная в датской газете Незнание мусульманских религиозных традиций привело к отрицательному синергетическому эффекту в мире

Традиции в экономической политике России до революции 1917 г были обусловлены высоким удельным весом сырьевой и добывающей отраслей, основные их них:

Поддержка и укрепление государственного сектора в экономике;

Традиции разумного достатка;

Традиции концентрации производства; традиции коллективизма;

Специфическая кооперация труда в аграрных поселениях, где всегда традиционными были промыслы, ремесла;

Семейная кооперация труда;

Сезонный характер производства; артельная организация труда;

Традиционно высокое качество труда;

Традиция сдержанного потребления алкоголя (в 1913 г в царской России на одного человека приходилось 2,3 л водки, в 1977 г. - 8 л водки, в 1995 г. - 18л водки);

Традиция здоровья нации. На 1 млн чел. населения в России в 1913 г. долгожителей было в 100 раз больше, чем во всей Западной Европе;

традиция меценатства. Так например, широко известный в прошлом, а ныне забытый купец первой гильдии Христофор Семенович Леденцов в свое время создал фонд, который был крупнее фонда Альфреда Нобеля, позаимствовавшего идею о создании фонда у Павла Демидова. На средства Х.С. Леденцова финансировались работы Д.И. Менделеева, В.И. Павлова и др. ученых. После революции 1917 г. фонд был заморожен за рубежом и на сегодняшний день составляет, около одного миллиарда долларов.

Конечно речь не идет о том, что необходимо только следовать традициям. Со временем всегда неизбежно рождаются новые явления и традиции. Но отказ от опыта поколений и традиций означает разрушение национальной психологии и культуры, утрату моральных ценностей и превращение страны в сырьевой придаток развитых стран.

Симптомы этого уже есть. Политика нашего государства должна быть подчинена национальным интересам России, что всегда было традицией, нормой и принципом державности.

Началось возрождение лучших российских традиций. Так, например недавно была создана общественная организация - ассоциация менеджеров РФ, занимающаяся благотворительной деятельностью для разрешения социальных проблем.

Третий принцип. Задачей управления является установление в организации такой системы ценностей, которая способна сделать всех работников союзниками.

в электронный век управление человеческими ресурсами должно быть направлено на формирование куль туры коллективного познания, в рамках которой люди разделяют общие ценности и объединяют различные усилия для решения проблем. Простая, механическая координация должна смениться действительной интеграцией основанной на коллективном познании и общем понимании различных мнений и позиций.

Четвертый принцип. Важной задачей управления является предоставление предприятию и каждому его работнику возможность расти и развиваться При этом каждое предприятие должно быть постоянно обучающим и обучающимся.

П. Друкер писал по этому поводу «Развитие - это рост, а рост всегда происходит изнутри Поэтому работа должна быть такой, чтобы поощрять рост индивидуальности и направлять его» . «..Стремление к самосовершенствованию и повышению квалификации является постоянным источником инноваций и прогресса в любой сфере менеджмента» .

В условиях феноменального прогресса информационной и телекоммуникационной и глобализации второй половины 1990-х гг. Организационные изменения превращаются в фундаментальную необходимость. Причем, радикальные изменения недостаточны, нужна способность к постоянным изменениям, подкрепляемая процессом осмысления результатов, в котором происходит накопление знаний и обучение. Инновации требуют комплексного знания, обеспечиваемого широкой сетью специалистов. Отсюда необходимость перехода от вертикальной интеграции к внутриорганизационной взаимосвязанности на основе соответствующих механизмов (сотрудничество, альянсы, распространение знаний, сбалансированный аутсорсинг).

Пятый принцип. Выполнение работы каждым сотрудником должно базироваться на личной ответственности за порученное дело и оценке свое2о личного вклада в общее дело.

Велика роль сам персонала. П. Друкер отмечал, что самоконтроль означает более сильную мотивацию - желание сделать как можно лучше, а не просто обеспечить «достаточный минимум» [ с. 133). Благодаря самооценке японцы добились высокого качества вы пускаемой продукции, внедрив у себя принцип «ноль дефектов»: на один миллион штук изделий - один брак!

Шестой принцип. От управления зависит контроль за объемом производства; его прибылью; положением на рынке; инновационной активностью; производительностью; развитием человеческих ресурсов.

Седьмой принцип. Главный конечный результат деятельности любого предприятия - удовлетворение

потребителя. Причем конечный результат управления лежит вне предприятия: для больницы - это здоровье; для школы - знания; для предприятия - качество продукции.

В эпоху гиперконкуренции весь бизнес должен быть ориентирован на потребителя. Это может быть достигну то с помощью как можно более широких контактов всех работников с потребителями, развития электронного обслуживания через интернет. Такая ориентация позволит компании перейти от рыночной сегментации к потребительской индивидуализации. Отсюда вытекает и важность управления отношениями с потребителями на основе сбалансированного их портфеля.

Таким образом одновременно используя различные принципы П. Друкера, а также законы экономики и управления можно быстро достичь положительного синергетического эффекта. Все это требует радикального изменения парадигмы управ мышления, гуманизации управления персоналом, отказа от технократизма и упрощенчества в решении кадровых проблем.