Что такое автоматическое управление
автоматическое управление
Большая советская энциклопедияавтоматическое управление - в технике, совокупность действий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления. А. у. широко применяется во многих технич. и биотехнич. системах для выполнения операций, не осуществимых человеком в связи с необходимостью переработки большого количества информации в ограниченное время, для повышения производительности труда, качества и точности регулирования, освобождения человека от управления системами, функционирующими в условиях относит, недоступности или опасных для здоровья (см. Автоматизация производства, Автоматизация управленческих работ. Большая система). Цель управления тем или иным образом связывается с изменением во времени регулируемой (управляемой) величины - выходной величины управляемого объекта. Для осуществления цели управления, с учётом особенностей управляемых объектов различной природы и специфики отдельных классов систем, организуется воздействие на управляющие органы объекта - управляющее воздействие. Оно предназначено также для компенсации эффекта внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить требуемое поведение регулируемой величины. Управляющее воздействие вырабатывается устройством управления (УУ). Совокупность взаимодействующих управляющего устройства и управляемого объекта образует систему автоматического управления.Система автоматического управления (САУ) поддерживает или улучшает функционирование управляемого объекта. В ряде случаев вспомогательные для САУ операции (пуск, останов, контроль, наладка и т. д.) также могут быть автоматизированы. САУ функционирует в основном в составе производств, или к.-л. другого комплекса.
История техники насчитывает много ранних примеров конструкций, обладающих всеми отличит, чертами САУ (регулирование потока зерна на мельнице с т. н. "потряском", уровня воды в паровом котле машины Ползунова, 1765, и т. д.). Первой замкнутой САУ, получившей широкое технич. применение, была система автоматич. регулирования с центробежным регулятором в паровой машине Уатта (1784). По мере совершенствования паровых машин, турбин и двигателей внутреннего сгорания всё более широко использовались различные механич. регулирующие системы и устройства, достигшие значит, развития в кон. 19 - нач. 20 вв. Новый этап в А. у. характеризуется внедрением в системы регулирования и управления электронных элементов и устройств автоматики и телемеханики. Это обусловило появление высокоточных систем слежения и наведения, телеуправления и телеизмерения, системы автоматич. контроля и коррекции. 50-е гг. 20 в. ознаменовались появлением сложных систем управления производств, процессами и пром. комплексами на базе электронных управляющих вычислит, машин.
САУ классифицируются в основном по цели управления, типу контура управления и способу передачи сигналов. Первоначально перед САУ ставились задачи поддержания определённых законов изменения во времени управляемых величин. В этом классе систем различают системы автоматич. регулирования (САР), в задачу к-рых входит сохранение постоянными значения управляемой величины; системы программного управления, где управляемая величина изменяется по заданной программе; следящие системы, для к-рых программа управления заранее неизвестна. В дальнейшем цель управления стала связываться непосредственно с определёнными комплексными показателями качества, характеризующими систему (её производительность, точность воспроизведения и т. п.); к показателю качества могут предъявляться требования достижения им предельных (наибольших или наименьших) значений, для чего были разработаны адаптивные, или самоприспосабливающиеся системы. Последние различаются по способу управления: в самонастраивающихся системах меняются параметры устройства управления, пока не будут достигнуты оптимальные или близкие к оптимальным значения управляемых величин; в самоорганизующихся системах с той же целью может меняться и её структура. Наиболее широки, в принципе, возможности самообучающихся систем, улучшающих алгоритмы своего функционирования на основе анализа опыта управления. Отыскание оптимального режима в адаптивных САУ может осуществляться как с помощью автоматического поиска, так и беспоисковым образом.
Способ компенсации возмущений связан с типом контура управления системы. В разомкнутых САУ на УУ не поступают сигналы, несущие информацию о текущем состоянии управляемого объекта, либо в них измеряются и компенсируются главные из возмущений, либо управление ведётся по жёсткой программе, без анализа каких-либо факторов в процессе работы. Осн. тип САУ - замкнутые, в к-рых осуществляется регулирование по отклонению, а цепь прохождения сигналов образует замкнутый контур, включающий объект управления и УУ; отклонения управляемой величины от желаемых значений компенсируются воздействием через обратную связь, вне зависимости от причин, вызвавших эти отклонения. Объединение принципов управления по отклонению и по возмущению приводит к комбинированным системам. Часто, помимо осн. контура управления, замыкаемого главной обратной связью, в САУ имеются вспомогат. контуры (многоконтурные системы) для стабилизации и коррекции динамич. свойств. Одновременное управление неск. величинами, влияющими друг на друга, осуществляется в системах многосвязного управления или регулирования.
По форме представления сигналов различают дискретные и непрерывные САУ. В первых сигналы, по крайней мере в одной точке цепи прохождения, квантуются по времени (см. Импульсная система), либо по уровню (см. Релейная система), либо как по уровню, так и по времени (см. Квантование сигнала).
Простейший пример САУ - система прямого регулирования частоты вращения двигателя (рис. 1). Цель управления - поддержание постоянной частоты вращения маховика, управляемый объект - двигатель 1; управляющее воздействие - положение регулирующей заслонки дросселя 3; УУ - центробежный регулятор 2, муфта 4 к-рого смещается под действием центробежных сил при отклонении от заданного значения частоты вращения вала 5, жёстко связанного с маховиком. При смещении муфты изменяется положение заслонки дросселя. Структурная схема рассмотренного примера (рис. 2) типична для многих САУ вне зависимости от их физич. природы. Описанная система представляет собой замкнутую одноконтурную непрерывную систему автоматич. регулирования механич. действия, допускающую линеаризацию при исследовании.
Пром-сть выпускает универсальные регуляторы, в т. ч. с воздействием по производной, по интегралу (см. Коррекция динамических свойств), экстремальные регуляторы, для управления различными объектами. Специализированные САУ широко применяются в различных областях техники, напр.: следящая система управления копировально-фрезерным станком по жёсткому копиру; САУ металлорежущих станков с программным управлением от магнитной ленты, перфоленты или перфокарты (преимущества такого управления заключаются в относит, универсальности, лёгкости перестройки программы и высокой точности обработки деталей); система программного управления реверсивным прокатным станом, включающая в свой контур управляющую вычислит. машину. В относительно медленных технологич. процессах в хим. и нефт. пром-сти распространены многосвязные САУ, осуществляющие регулирование большого количества связанных величин; так, при перегонке нефти информация о темп-ре, давлении, расходе и составе нефтепродуктов, получаемая от неск. сотен датчиков, используется для формирования сигналов управления десятками различных регуляторов. САУ играют важную роль в авиации и космонавтике, напр, автопилот представляет собой САУ связанного регулирования, а иногда и самонастраивающуюся систему. В военной технике применяются высокоточные следящие системы, часто включающие вычислит, устройства (напр., система углового сопровождения радиоло-кац. станции). При анализе многих физио-логич. процессов в живом организме, таких как кровообращение, регуляция темп-ры тела у теплокровных животных, двигательные операции, обнаруживаются характерные черты САУ (см. Кибернетика биологическая).
Задачи синтеза устройств А. у. и анализа процессов в управляемых системах являются предметом теории автоматич. управления. Р.С. Рутман
Теория автоматического управления (ТАУ) изучает принципы построения систем автоматич. управления и закономерности протекающих в них процессов, к-рые она исследует на динамич. моделях действит. систем с учётом условий работы, конкретного назначения и конструктивных особенностей управляемого объекта и автоматич. устройств, с целью построения работоспособных и точных систем управления.
Первоначально ТАУ развивалась как теория автоматич. регулирования (ТАР) и была одним из разделов теоретич. и технич. механики. На этой стадии ТАУ изучала процессы управления паровыми котлами и электрич. машинами, но раздельно в пределах только теплотехники и только электротехники. Быстрое развитие всех отраслей техники и пром-сти сопровождалось совершенствованием методов и средств техники управления; обнаружилась аналогичность процессов управления в технич. устройствах, независимо от их природы и назначения.
С развитием управления в технике шло также изучение проблем управления в организмах и в экономич. системах. Вплоть до сер. 20 в. исследования процессов управления в этих разнородных объектах не были связаны. В технике управляющие устройства, внешние по отношению к объектам, создаются отдельно и лишь затем соединяются с объектами в единую систему управления. На основе изучения взаимодействия этих устройств с объектами была выявлена общность процессов управления. Именно поэтому ТАР зародилась в технике и превратилась в самостоят, технич. науку. В живых организмах и в экономике органы управления составляют неотъемлемую часть этих объектов. Здесь нет необходимости конструирования отдельно действующих органов управления, а изучение всего механизма управления велось разрозненно в соответствующих областях знаний без участия специалистов по управлению. Однако процессы управления, обладающие определённой спецификой в биологии и экономике, потребовали обязательной коллективной работы специалистов различных областей науки и техники, тем более при совр. уровне развития науки, когда выявилась также и необходимость взаимного обмена знаниями. Н. Винеру принадлежала мысль об общности процессов управления в технике, живых организмах и в экономике и необходимости совместной деятельности учёных различных специальностей (см. Кибернетика). Этот вывод подготовлялся длит, время и многими др. исследователями. Было обнаружено, что технич. наука - ТАР, способна объяснить процессы управления и влиять на них не только в технике; сфера её применения расширилась, но при этом усложнились цели и методы теории, к-рая получила новое название "Теория автоматического управления".
Для ТАР характерна задача стабилизации заданного состояния объекта. В ТАУ эта задача входит составной частью в проблему приспособления, или адаптации, к-рая присуща живым организмам и экономич. орг-циям. Но и для техники эти проблемы весьма актуальны, если учесть переменность параметров объектов управления, работу их при меняющихся условиях, а также оценку эффективности этой работы в чисто экономич. терминах, напр. прибыльность или уменьшение затрат труда и материалов. Так возникла проблема синтеза и анализа систем автома-тич. управления - осн. проблема ТАУ. Решение её требует изучения динамич. свойств САУ, для чего необходимо мате-матич. описание поведения всех элементов системы в переходных процессах. В общем случае процессы в объектах описываются системами обыкновенных дифференц. ур-ний или ур-ний в частных производных в зависимости от того, имеют ли объекты сосредоточенные или распределённые параметры. Элементы автоматич. устройств также описываются системами дифференц. ур-ний.
Специфичен для ТАУ последующий переход от линейных ур-ний к передаточным функциям - операторным выражениям дифференц. и разностных ур-ний. Передаточные функции позволяют легко представить математич. модель системы в виде структурной схемы, состоящей из типовых динамич. звеньев. ТАУ вводит понятия динамич. характеристик - передаточных функций, частотных и временных характеристик, упрощающих составление математических моделей системы и последующие анализ и синтез систем.
Динамич. анализ САУ выясняет их работоспособность и точность. Необходимым условием работоспособности САУ служит их устойчивость (см. Устойчивость системы автоматического управления). Для её исследования разработаны критерии устойчивости, позволяющие определять условия устойчивости и необходимые запасы её по косвенным признакам, минуя весьма трудную операцию интегрирования уравнений движения системы.
Устойчивость достигается изменением параметров системы и её структуры. В нелинейных САУ исследуется возможный для этих систем режим автоколебаний. Если же по самому принципу действия САУ, напр, для релейных систем, эти колебания неизбежны, то устанавливаются допустимые параметры -амплитуда и частота автоколебаний. Точность САУ оценивается показателями, к-рые в совокупности наз. качеством управления (см. Точность систем автоматического управления). Важнейшие показатели качества САУ: статич. и динамич. погрешности и время регулирования (см. Погрешностью системе автоматического регулирована я). Эти показатели определяются сравнением действит. переходного процесса изменения управляемых величин с требуемым законом их изменения; обычно они указываются для одного из типовых законов изменения управляемой величины.
В ТАУ, так же как и при анализе устойчивости, пользуются косвенными методами анализа качества, не требующими решения исходных ур-ний. Для этого вводятся критерии качества - косвенные оценки показателей качества (см. Качества показатели системы автоматического управления). При действии на САУ случайных возмущений наиболее распространён критерий качества динамич. точности - средняя квадратичная ошибка. Эта величина относительно просто может быть связана со ста-тистич. характеристиками возмущающих воздействий и параметрами передаточной функции системы. САУ, в к-рой достигнут экстремум к.-л. показателя качества, именуется оптимальной системой. Нелинейные системы обладают более широкими возможностями достижения оптимума определённого показателя качества, чем системы линейные. Это обусловило применение нелинейных связей для повышения качества систем управления.
Анализ системы управления устанавливает свойства системы с уже заданной структурой. Построение алгоритма управления и разработка соответствующей ему структуры системы, выполняющей заданную цель при требуемом качестве управления, установление значений параметров этой системы составляет содержание проблемы синтеза. До начала разработки системы управления сообщаются необходимые для этого исходные данные: свойства управляемого объекта, характер действующих на него возмущений, цель управления и требуемая точность управления. К объекту управления относится его управляющий орган, через к-рый передаётся воздействие на объект от управляющего устройства. Известные характеристики управляющего органа сразу же определяют характеристики исполнит, механизма управляющего устройства. Но на этом обрывается цепь частей системы управления, свойства к-рых определяются однозначно их взаимным влиянием друг на друга. Так вводится понятие неизменяемой части системы управления - неизменяемой в том смысле, что свойства её заданы до начала конструирования алгоритма управления и, как правило, не могут быть изменены. Заданная цель управления определяет и способ управления. В результате выясняется в общих чертах блочная схема системы управления.
В основном пользуются 2 методами решения проблемы синтеза - аналитическим и последовательных приближений. При первом либо находится вид передаточной функции автоматич. устройства или алгоритм управления, либо при выбранной структуре указанного устройства устанавливаются значения его параметров, дающие экстремум критерию качества. Этот метод позволяет сразу найти оптимальное решение, но он часто приводит к сложным и громоздким вычислениям. Во втором методе по заданному критерию качества определяется передаточная функция автоматич. устройства и затем для полученной системы сравниваются заданные показатели качества с их действит. значениями. Если приближение оказывается допустимым, расчёт считается законченным и можно приступить к конструированию устройства. Если же приближение оказывается недостаточным, то изменяется вид передаточной функции до получения варианта, удовлетворяющего заданным требованиям точности.
При построении сложных систем управления, кроме теоретич. методов, применяется моделирование с применением аналоговых и цифровых вычислит, машин, на к-рых воспроизводятся ур-ния, описывающие всю систему управления в целом, и по результатам расчётов, заканчивающихся при достижении требуемых показателей качества, устанавливается структура устройства управления. Такой метод синтеза близок по идее к методу последо-ват. приближений. Моделирование позволяет оценить влияние таких факторов, как нелинейность ограничения координат, переменность параметров, к-рые ставят почти непреодолимые преграды для ана-литич. исследования. Применение вычислит, машин освобождает от трудностей расчёта. Они также используются в составе САУ для выполнения сложных алгоритмов управления, к-рые особенно характерны для адаптивных и оптимальных систем и систем с прогнозированием конечного результата управления. Решение проблемы синтеза САУ способствовало появлению новых эффективных принципов управления и развитию важных самостоят, направлений в ТАУ: оптимальное управление, статистич. динамика и чувствительность систем управления. Теория оптимального управления позволила установить структуры систем управления, обладающих предельно высокими показателями качества при учёте реальных ограничений, накладываемых на переменные. Показатели оптимальности могут быть весьма разнообразными. Выбор их зависит от конкретно поставленной задачи. Такими показателями служат показатели динамич. свойств всей системы в целом, критерии экономичности режимов управляемых объектов и др. Распространены оптимальные по быстродействию системы, к-рые переводят объект из одного состояния в другое за минимальный промежуток времени.
Статистич. динамика систем управления изучает действие на эти системы случайных возмущений. Методы этой теории позволяют синтезировать системы управления, обеспечивающие минимум динамич. погрешности, решать задачи построения сглаживающих и прогнозирующих следящих систем, определять динамич. свойства управляемых объектов по данным опыта при их нормальном функционировании без внесения пробных возмущений. Статистич. методы исследования широко распространены для изучения различных типов систем управления. Большое значение эти методы приобретают для приспосабливающихся систем. Теория чувствительности систем управления изучает зависимость динамич. свойств этих систем от их меняющихся параметров и характеристик. Показатель чувствительности служит мерой зависимости указанных свойств от вариаций параметров. Теория чувствительности позволяет в ряде случаев указать пути осуществления беспоисковых самонастраивающихся систем.
Последний вопрос тесно связан ещё с одним направлением в ТАУ, получившим интенсивное развитие в последние годы - общей теорией адаптации, развитой на базе статистич. методов и методов линейного программирования в математике. Для ТАУ характерна тесная, непрерывно усиливающаяся и взаимно влияющая связь не только с математикой, но также и с физикой и технич. науками, изучающими свойства объектов, к-рые позволяют создать детальные динамич. модели объектов, необходимые при решении усложнившихся задач автоматического управления.
Лит.: Максвелл Д. К., Вышне-градский И. А., Стодола А., Теория автоматического регулирования, М., 1949; Лернер А. Я., Введение в теорию автоматического регулирования, М., 1958; Фельдбаум А. А., Вычислительные устройства в автоматических системах, М., 1959; его же, Основы теории оптимальных автоматических систем, М., 1963; Лернер А. Я., Начала кибернетики, М., 1967; Теория автоматического регулирования, под ред. В. В. Солодовникова, кн. 1, М., 1967.