Теория автоматического регулирования - это наука о принципах построения автоматических систем и закономерностях протекающих в них процессов. |
Основная задача этой науки состоит в построении оптимальных или близких к ним автоматических систем, а также исследовании статики и динамики этих систем.
Теория автоматического регулирования дает методы решения задач двух видов. Первые из них - это задачи анализа работы систем автоматического регулирования: по известным характеристикам отдельных элементов определяются общие характеристики системы и проводится анализ ее рабочего процесса, причем выясняется, насколько хорошо работает система автоматического регулирования. Вторым видом задач являются задачи синтеза: если система автоматического регулирования еще не построена, а только указаны требования, которым должен удовлетворять ее рабочий процесс, то решается, какой должна быть структура автоматической системы и какими должны быть отдельные ее элементы для того, чтобы были удовлетворены поставленные требования.
Основным методом изучения информационных процессов управления, принятым в теории автоматического регулирования, является метод их алгоритмизации. Этот метод заключается в том, что любой информационный процесс управления представляется в виде некоторой последовательности связанных друг с другом и причинно обусловленных математических и логических операций, представляющих собою алгоритм рассматриваемого процесса.
Основными вопросами, входящими в предмет теории автоматического регулирования, являются следующие:
1. Формулировка и выбор критериев эффективности управления на основе заданной цели;
2. Анализ внешних по отношению к системе автоматического регулирования условий;
3. Анализ внутренних условий, т. е. свойств системы автоматического регулирования;
4. Разработка и синтез алгоритмов автоматического регулирования, обеспечивающих заданную эффективностьработы объекта;
5. Сбор и передача информации, необходимой для реализации алгоритмов автоматического регулирования;
6. Обработка измерительной информации с целью выработки сигналов управления;
7. Анализ динамической точности реализации алгоритмов управления;
8. Разработка методов обеспечения надежности автоматических систем;
9. Исследование взаимодействия оператора (человека) и технических средств систем автоматического регулирования.
Ставя себе целью изучить общие принципы и законы эффективного управления объектами различной природы, теория автоматического регулирования стремится установить алгоритмический изоморфизм, т. е. структурное, количественное и логическое сходство между процессами управления, протекающими в различных системах управления. С этой точки зрения можно сказать, что предмет теории автоматического регулирования состоит в анализе, синтезе и реализации алгоритмов управления как уже имеющихся в природе, так и необходимых для приспособления к ней эффективного воздействия на нее при достижении определенных целей.
В теории автоматического регулирования основными являются задачи:
1. Анализа устойчивости замкнутых САР, позволяющих определить, удовлетворяют ли они предъявляемым к ним требованиям с точки зрения качества работы, и показывающих пути улучшения их динамических свойств;
2. Оценки количественных и качественных показателей статических и динамических характеристик САР, использующая методы исследования систем со многими степенями свободы для обоснованного выбора параметров системы автоматического регулирования;
3. Повышения точности САР, позволяющих определить эффективность работы объектов и наметить пути совершенствования процесса регулирования;
4. Коррекции динамических свойств САР, приводящая к существенному улучшению потребительских свойств автоматических систем;
5. Синтеза САР, позволяющих выбрать схему взаимодействия их элементов, а также параметры и характеристики этих элементов таким образом, чтобы система в целом удовлетворяла заданным требованиям к ее поведению в статике и динамике;
6. Оптимизации САР, использующую методы математического моделирования и вычислительной техники для уточнения результатов и окончательного выбора параметров систем автоматического регулирования, а также их окончательной доводкой в реальных условиях;
Теория автоматического регулирования не делает упора на физическую природу процессов управления. Она стремится использовать результаты различных наук, специально посвященных изучению различных классов систем автоматического регулирования для того, чтобы обобщить эти результаты в области, касающейся вопросов регулирования, выявить общие принципы и законы автоматического регулирования различными объектами.
Принцип действия всякой системы автоматического регулирования (САР) заключается в том, чтобы обнаруживать отклонения регулируемых величин, характеризующих работу объекта или протекание процесса от требуемого режима и при этом воздействовать на объект или процесс так, чтобы устранять эти отклонения.
Существует чрезвычайно большое разнообразие автоматических систем, выполняющих те или иные функции по управлению самыми различными физическими процессами во всех областях техники. В этих системах сочетаются весьма разнообразные по конструкции механические, электрические, электронные и другие устройства, составляя, в общем, сложный комплекс взаимодействующих друг с другом звеньев.
Примерами автоматических систем могут служить:
- автомат включения освещения, в котором имеется фотоэлемент, реагирующий на силу дневного освещения, и специальное устройство для включения освещения, срабатывающее от сигнала фотоэлемента;
- автомат, выдающий покупателю определенные предметы, при опускании в него заданного количества денег;
- станок-автомат, автоматическая линия на производстве;
- система телеуправления, в которой от нажатия кнопки или легкого поворота ручки на пульте управления совершается определенная комбинация сложных операций;
- автоматический регулятор частоты вращения вала двигателя, поддерживающий ее независимо от нагрузки или внешнего возмущения;
- автопилот, поддерживающий определенный курс и высоту полета самолета;
- следящая система, на выходе которой с определенной точностью копируется произвольное во времени изменение входной величины, поданной на вход.
Все указанные и подобные им автоматические системы можно разделить на два больших класса:
- автоматические системы, выполняющие определенного рода одноразовые или многоразовые операции;
- автоматические системы, которые в течение достаточно длительного времени нужным образом изменяют или поддерживают неизменными какие-либо физические величины.
В теории автоматического регулирования основными являются проблемы: устойчивости, качества переходных процессов, статической и динамической точности, автоколебаний, оптимизации, синтеза и отождествления (идентификации).
Современные методы теории автоматического регулирования позволяют выбрать рациональную структуру системы, определить оптимальные значения параметров с учетом регулярных и случайных воздействий, оценить устойчивость и показатели качества процессов управления (точность, быстродействие, помехозащищенность и др.)
