Основні поняття та визначення теорії автоматичного управління (ТАУ) системи управління та їх структури

Кібернетика (від грец. κυβερνητική — «мистецтво управління») — наука про загальні закономірності отримання, зберігання, передачі та перетворення інформації в складних керуючих системах, будь то машини, живі організми або суспільство.

Термін "кібернетика" спочатку ввів у науковий обіг Андре-Марі Ампер, який у своїй фундаментальній праці "Досвід про філософію наук" (1834—1843) визначив кібернетику як науку про управління державою, яка має забезпечити громадянам різноманітні блага. У сучасному розумінні — як наука про загальні закономірності процесів управління та передачі інформації в машинах, живих організмах та суспільстві, термін уперше був запропонований Норбертом Вінером у 1948 р.

Кібернетика включає вивчення зворотного зв'язку, чорних ящиків та похідних концептів, таких як управління та комунікація в живих організмах, машинах та організаціях, включаючи самоорганізацію. Вона фокусує увагу на тому, як щось (цифрове, механічне або біологічне) обробляє інформацію, реагує на неї і змінюється або може бути змінено, щоб краще виконувати перші два завдання. Стаффорд Бір назвав її наукою ефективної організації, а Гордон Паск розширив визначення, включивши потоки інформації «з джерел», починаючи зі зірок і закінчуючи мозком.

Приклад кібернетичного мислення. З одного боку, об'єкт управління розглядається як система в навколишньому середовищі; з іншого боку, кібернетичне управління може бути як система. При цьому об'єкт і пристрій управління взаємодіють один з одним.

Згідно з іншим визначенням кібернетики, запропонованим у 1956 р. Л. Куфіньялем (англ.), одним з піонерів кібернетики, кібернетика — це «мистецтво забезпечення ефективності дії».

Ще одне визначення запропоновано Льюїсом Кауфманом (англ.): "Кібернетика – це дослідження систем і процесів, які взаємодіють самі з собою і відтворюють себе".

Кібернетика має дві гілки:

• Технічна кібернетика (займається передачею інформації у технічних системах).
• Біоніка (розглядає загальні закономірності процесів у живих істотах та їх об'єднаннях).

У свою чергу технічна кібернетика (ТК) складається з трьох розділів:

1. Теорія вимірювань та зв'язку (отримання та обробки, перевірки на достовірність та ранжування інформації).
2. Теорія машинного розрахунку (автоматична обробка цифрової інформації).
3. Теорія автоматичного управління (ТАУ – займається використанням отриманої інформації в ланцюзі управління (оптимальне управління!)).

Структури управління поділяють на два великі класи:

1) Автоматизована система управління (АСУ) – за участю людини в контурі управління;

2) Система автоматичного управління (САУ (або АСР)) без участі людини в контурі управління.

Предметом ТАУ є САУ, що складається з об'єктів управління та автоматичного керуючого пристрою, які певним чином взаємодіють один з одним.

ТАУ вирішує дві основні завдання:

• синтезу (вибору параметрів) САУ технічними об'єктами;
• аналізу (дослідження функціонування).

​

Синтез – (термін походить від грец. σύνθεση — поєднання, приміщення разом (σύν — з, разом і θεση — стан, місце), це процес з'єднання або об'єднання раніше розрізнених речей або понять в ціле або набір.

Аналіз — антипод синтезу, це спосіб розібрати ціле на функційні частини.

Завдання синтезу полягає у побудові або конструюванні САУ за заданими перехідними процесами та якісними показниками (на цьому етапі досліджується властивість об'єкта управління та підбирається автоматичний пристрій контролер, ЕОМ тощо).

Етап аналізу – на діючому об'єкті перевіряється працездатність та якість функціонування обраної САУ.

Вперше відомості про автомати з'явилися на початку нашої ери в роботах Герона Олександрійського «Пневматика» та «Механіка», де описані автомати, створені самим Героном та його учителем Ктесібієм: пневмоавтомат для відкриття дверей храму, водяний орган, автомат для продажу святої води та ін. Ідеї ​​Герона значно випередили своє століття і не знайшли застосування у його епоху.

У Середні віки значного розвитку набула імітаційна «андроїдна» механіка, коли конструктори-механіки створили ряд автоматів, що наслідують окремі дії людини, і, щоб посилити враження, винахідники надавали автоматам зовнішньої схожості з людиною і називали їх «андроїдами», тобто людиноподібними. В даний час подібні пристрої називають роботами, на відміну від поширених у всіх сферах людської діяльності пристроїв автоматичного управління, які називають автоматами.

У зародковому вигляді багато положень Теорії Автоматичного Управління містяться в Загальній теорії (лінійних) регуляторів, яка була розроблена в основному в 1868—1876 рр. у роботах Д. Максвелла та І. Вишнеградського (роки життя 1832–1895). Основними працями Вишнеградського є: «Про загальну теорію регуляторів», «Про регулятори непрямої дії». У цих роботах можна знайти витоки сучасних інженерних методів дослідження стійкості та якості регулювання.

Вирішальний вплив на розвиток вітчизняної методології досліджень теорії автоматичного управління відіграли роботи видатного радянського математика Маркова А.А., основоположника т.зв. конструктивістської школи математики, автора величезної кількості робіт з теорії алгоритмів та математичної логіки. Ці дослідження знайшли застосування у науковій та практичній діяльності академіка Лебедєва С.О. з військової тематики – автоматах управління торпедами та наведення зброї та стійкості великих енергосистем.

На початку ХХ століття у першій його декаді теорія автоматичного управління формується як загальнонаукова дисципліна із низкою прикладних розділів.

САУ бувають: розімкнутими та зімкнутими.

У найзагальнішому вигляді САУ складається з об'єктів управління (ОУ) та автоматичних пристроїв контролю (К – «контролера»).

​

Розімкнена САУ – система з розімкненим контуром передачі сигналів (система без зворотного зв'язку):

ОУ – (об'єкт управління) працююча промислова установка, яка безперервно повинна підтримуватися в стані, що задовольняє певним заданим умовам;

К – (контролер) технічний пристрій, що виконує функцію управління шляхом впливу на ОУ за певним алгоритмом;

Х_зд(t) – (завдання) це таке задане значення регульованого параметра, яке САУ підтримує в сталому режимі;

u(t) – керуючий вплив;

ϕ(t) – параметр керування або регульована величина, яку необхідно підтримувати на заданому значенні або змінювати за певним законом.

Усталений режим САУ – такий режим, коли система перебуває у стані рівноваги (статика).

Перехідний режим – такий режим, коли САУ переходить із одного рівноважного режиму до іншого (динаміка).

Ціль управління:

ϕ(t)=Х_зд(t). (1)

​

Працездатність системи управління можлива за дотримання 3-х умов:

1 - математична модель об'єкта відома з високою точністю;

2 – алгоритм функціонування контролера має бути відомий та відтворюється з високою точністю;

3 - на ОУ не повинні діяти жодні збурення.

Невиконання будь-якої з трьох цих умов призведе до невиконання завдання.

Збурення – фактори, які порушують рівність (1) – ϕ(t)=Х_зд(t).

ν_i(t) – збурення на об'єкт управління.

Замкнуті САУ – системи із замкнутим контуром передачі сигналу (із зворотним зв'язком).

КЗЗ – контур зворотнього зв’язку

Відповідно до принципу декомпозиції контролер поділяється на 2 блоки:

КБ – командний блок / задатчик;

АР – автоматичний регулятор (виробляє керуючий вплив для забезпечення заданої мети управління)

КБ – командний блок/задатчик;

СУ – підсумовуючий пристрій (суматор);

АР – автоматичний регулятор (виробляє керуючий вплив забезпечення заданої мети управління);

ОУ – об'єкт управління.

ε(t)=Х_зд(t)-ϕ(t)

ε(t) – неузгодження чи «помилка» ;

μ(t) – регулюючий вплив.

Відповідно до того ж принципу декомпозиції, замкнуту САУ можна перетворити на:

Структурна схема АСР та її основні особливості

Одноконтурна АСР складається з:

ВП – вимірювач-перетворювач;

ВМ – виконавчий механізм;

УВ – управляючий вплив;

РО – регулюючий орган.

ϕ(t)=Х_зд(t)=const

Основні особливості АСР:

1) Замкнута система управління (замкнутий контур передачі впливу).

2) Кожен елемент АСР називається динамічною ланкою:

3) Кожна динамічна ланка має властивості детектування (односпрямованість проходження сигналу від входу до виходу).

Аналогічно динамічній ланці "вхід" для системи - називають збуренням:

Існує три канали збурення:

1 – основне збурення (наноситься регулюючим органом);

2 – зовнішнє (не проходить через регулюючий орган);

3 – внутрішнє (яке проходить через регулюючий орган).

Розглянемо парогенератор як об'єкт управління (ОУ):

Під АСР розуміють САУ із замкнутим ланцюгом впливу, який виробляє регулюючий вплив у результаті порівняння поточного значення регульованої величини із завданням.

ПГ – парогенератор (об'єкт управління);

РЖК – регулюючий живильний клапан (основне збурення – РО);

Пара на парову турбіну (зовнішнє збурення);

ЖН – живильний насос (внутрішнє збурення).