Тема 1.1 Загальні поняття та визначення.
Основні поняття теорії автоматичного керування.
За нашого часу наука про керування здобула значний розвиток. Нарівні з розробкою та поглибленням напрямків, що склалися протягом ..., виникають нові розробки, зростає значення науки та техніки керування, з’являються нові класи систем керування ( адаптивні, термінальні, тощо ), істотно змінюється представлення про структуру керуючих систем, створюються керуючі системи для нових класів об’єктів ( технічних, організаційних та економічних комплексів ), зростає та розширюються програмні засоби реалізації алгоритмів вимірювання, контролю та керуванню, якісно змінюється елементна база побудови керуючих систем.
Зростаючі вимоги виробництва у випуску якісної продукції обумовлює все більш широке застосування засобів автоматичного керування у всіх видах діяльності людини. У наш час більшість автоматизованих робіт на виробництві здійснюється машинами, які спеціально сконструйовані для виконання різноманітних функцій у виробничому процесі.
Цілеспрямовані процеси, які виконує людина для задоволення різноманітних потреб , являють собою організовану сукупність дій-операцій, які поділяються на два класи: робочі операції та операції керування.
До робочих операцій належать дії, які безпосередньо спрямованні на здійснення процесу перетворення початкового матеріалу.
Зміна фізичної праці людини у робочих операціях діяльністю машин та механізмів називається механізацією.
Ціль механізації – звільнення людини від операцій, які зв'язані із затратами фізичної енергії, у шкідливому середовищі, у одноманітних, стомливих для нервової системи операціях.
Але робочі операції здійснюються з певними цілями, тому для цілеспрямованого їх використання потрібні операції другого класу – операції керування, які забезпечують у потрібні моменти часу початок, послідовність та закінчення окремих операцій, задають необхідні параметри самому процесу перетворення початкового матеріалу (субстанції).
Сукупність керуючих операцій створює процес керування.
Якщо у процесі керування застосовуються механічні пристрої, які частково звільняють людину в операціях керування, то процес керування вважається автоматизованим, а технічні пристрої які здійснюють операції керування – автоматичними пристроями. Таким чином, автоматизація – це процес заміни праці людини в операціях керування дією технічних пристроїв керування.
Нині, у процесі розвитку людства, головну роль відіграє мозок людини, а не її м`язи. Тому автоматизація розглядається як одна з найбільш важливих напрямків розвитку техніки. Разом з нею у багато разів збільшується продуктивність праці. Вона сприяє здійсненню на практиці чудових мрій минулих поколінь, та відкриває нові горизонти для різноманітних галузей промисловості.
В залежності від ступеня участі людини в процесах керування розрізняють: автоматичні та автоматизовані системи керування.
Автоматичне керування починається тоді, коли механізуються функції спостереження за процесами та розробка рішень по керуючому впливу згідно з поставленою ціллю керування і здійснення керуючих впливів.
Промислове виробництво пов`язане з переробкою початкової речовини, енергії, інформації у новий вид речовини, енергії, інформації. При цьому розрізняють основні та додаткові технологічні процеси.
Під основними технологічними процесами розуміють послідовність у часі впливів, які необхідні для одержання потрібної продукції на деякий початковий матеріал з ціллю зміни його характеристик (форми, розмірів, фізичних або хімічних властивостей). Характерною особливістю при цьому є необхідність дозування впливів за рахунок керування потоками енергії, перетворення її з одного виду в інший, зміни параметрів та режимів технологічного процесу. Урахування цих особливостей неможливо без різноманітних систем керування, які виконують функції контролю та керування виробничих процесів, замінюючи працю людини.
Так технологічний процес виробки електроенергії вимагає стійких параметрів пароутворення : кількість палива що подається , співвідношення паливо-повітря, тиснення у камері згорання, рівень живлющої води тиснення пару, температури пару. Привід парових агрегатів, турбін, генераторів потребує підводу пари з потрібним тиском, температурою, кількості необхідного збудження. Цей технологічний процес показує, як один вид енергії перетворюється в інший (хімічна, механічна, електрична)( Рис.1.1) .
У теперішній час наукою та промисловістю створені різноманітні пристрої для регулювання, контролю, керування процесами та об`єктами керування. Це і вузькоспеціалізовані за визначенням автоматичні регулятори та широко-універсальні системи, які використовують сучасні методи комп`ютерного та цифрового керування.
Будемо розглядати керований процес або об`єкт керування як деякий якісний "чорний ящик", на входи якого поступають речовина та енергія, а на виході з`являється готова продукція, вторинна речовина та енергія. Оскільки процес функціонує у зв`язку з навколишнім середовищем, то очевидно, що останнє може впливати на процес, змінює властивості "чорного ящика" непередбаченим чином. Співвідношення між параметрами входу та виходу також змінюється, що приводить до зміни причинно-наслідкових зв`язків.
Рис.1 Технологічний процес та діючі сигнали
Але технологічний процес будується з необхідною ціллю, щоб одержувати продукцію із сталими показниками! Таким чином необхідно мати керуючий пристрій, за допомогою якого можна відповідним чином змінювати співвідношення сировини та енергії і всього процесу взагалі. Тобто необхідна інформація про стан входів та виходів процесу, про характер впливу навколишнього середовища, про характер зміни параметрів процесу у часі, про завади, які впливають на процес. Необхідна інформація і про якісні показники готової продукції, тобто про ціль керування.
Рис.2 Узагальнена схема керованого процесу
Тепер, задаючи необхідні цільові вказівки, та маючи основні запаси сировини і енергії, система буде діяти автоматично, без участі людини.
Отже, будемо розглядати систему як реальний об`єкт або, як абстрактне поняття, яке складається з ряду елементів та існуючих зв`язків поміж ними, які характеризуються своїми властивостями, структурою зв`язками з навколишнім середовищем.
Таким чином, при створюванні системи необхідно враховувати фізичні параметри, які зв`язані з переходом процесу з одного становища до іншого, потрібно знайти форму подання взаємодії всіх елементів та зв`язків системи, розкрити причинно-наслідкові взаємозв`язки , тобто необхідно перейти до певної узагальненої форми подання явища котре вивчається, тобто до моделі процесу.
У
процесі побудови причинно-наслідкових
моделей потрібно відокремити модель
самої системи керування
,
модель навколишнього середовища
,
модель зв`язків системи з навколишнім
середовищем на вході
та на виході
,
модель зв`язку виходу із входом
,
модель зв`язку виходу із входом впливу
навколишнього середовища
(1.1
)
Рис 3 Модель розширеної системи
Отже,
можна казати про загальну модель
,
як про модель розширеної системи :
(1.2)
Перехід від науково-технічної постановки задачі до моделі системи проходить через об`єктне та функціональне моделювання.
При об`єктному моделюванні символічно зображають елементи та функції системи, зв`язки між окремими елементами системи за рахунок речовини, енергії, інформації.
Наслідком такого переходу є технологічна схема, яка орієнтована на найбільш суттєві явища у ході процесу. Як факти при цьому розглядаються конкретні конструктивні елементи.
Потім з`ясовується причинно-наслідкові взаємозв`язки, якісно описуються зв`язки між окремими вхідними та вихідними сигналами, установлюються кількісно-функціональні відношення у схемі проходження сигналів, тобто створюється функціональна модель системи, у якій можна абстрагуватися від потоків речовини та енергії.
Як правило така процедура закінчується побудовою математичної моделі.
Треба пам`ятати, що методи створення системи керування та структури її моделі, повинні задовольняти ряду загальних принципів системного підходу по дослідженню складних систем керування.
1. Принцип однозначності – однозначне представлення сукупності основних властивостей для всієї чисельності моделей систем керування якої повинні дотримуватись на всіх рівнях моделювання систем керування, зв`язків з навколишнім середовищем, інтеграції окремих підсистем у складну систему.
2. Принцип не надмірності (не избыточности) – представлення деякої необхідної та достатньої сукупності основних властивостей системи для кожного етапу дослідження та проектування. Ліквідування надмірностей моделі на відповідному етапі доцільно здійснювати шляхом декомпозиції загальної задачі, поетапного дослідження окремих властивостей системи, шляхом перетворення деякої часткової інформації про окремі параметри у більш збільшувану інформацію о властивостях системи.
3. Принцип послідовного розкриття невизначеності – поетапне виявлення та формування властивостей системи керування, до чергових збільшень інформації, які дозволяють розв’язувати додаткові задачі по виявленню нових сукупностей властивостей досліджуваної системи.
Весь світ можна розглядати як систему систем. Але у такій сукупності неможливо досліджувати всі зв`язки. Тому досліджувана система повинна бути ізольована від навколишнього середовища, але при цьому у місцях розриву не повинна бути перекручення відповідних потоків енергії, речовини, інформації. Навколишнє середовище продовжує впливати на систему через відповідні вхідні величини, а вихідні величини системи впливають на навколишнє середовище. Система складається із частин (елементів, підсистем), між якими існують істотні але різноманітні зв`язки та співвідношення.
Кожна система має свої властивості та під дією вхідних сигналів змінює свій стан, тобто кожна система може характеризуватися навколишнім середовищем, своїми властивостями та структурою.
Рис.1. 5 Графічне зображення системи
Графічно система зображається трьома основними засобами: блок схемою, сигнальним графом та своїм оператором.
(
1.3 )