1.1 Теория управления. Основные понятия и термины

Кибернетика — это наука об общих закономерностях процессов управления в различных системах (механических, электрических, биологических, административных, социальных и т.д.). Технической кибернетикой называется наука об управлении техническими устройствами. Важным разделом технической кибернетикой, ее базовой основой является теория автоматического управления (ТАУ).

ТАУ – это наука о принципах построения автоматических систем и закономерностях протекающих в них процессов. ТАУ абстрагируется от физической природы и конструктивных особенностей систем. Задача ТАУ заключается в построении оптимальных или близких к ним работоспособных автоматических систем, выполняющих поставленные перед ними цели без участия человека.

Чтобы понять смысл и содержание ТАУ, необходимо усвоить ее основные понятия и определения.

Управление каким-либо объектом – это процесс воздействия на него с целью обеспечения требуемого течения процессов в объекте или требуемого изменения его состояния. Основой управления является переработка информации о состоянии объекта в соответствии с целью управления.

Совокупность всех устройств, обеспечивающих управление каким-либо объектом, называют системой управления. Если функции всех элементов системы управления выполняются различными устройствами без непосредственного участия человека, то система управления является автоматической.

Система автоматического управления (САУ) может быть представлена двумя основными частями (рис. 1.1): объектом управления (управляемая система) и устройством управления (управляющей системой).

В качестве объекта управления может рассматриваться как управляемое техническое устройство (станок, паровая турбина, самолет и т.д.) или их совокупность, так и более простая система управления. В последнем случае речь идет о некоторой иерархической системе управления, в которой более сложная система управления включает в себя более простую как подсистему.

Для автоматического управления большое значение представляет понимание внешней среды. Под внешней средой будем понимать все то, что не входит в рассматриваемую систему. Внешним или возмущающим воздействием f(t) называется воздействие среды на любой элемент (подсистему) системы управления, включая объект управления, затрудняющее, как правило, достижение цели.

Управляющее воздействие u(t) – воздействие со стороны управляющей системы на объект управления, предназначенное для достижения целей управления.

Управление всегда имеет определенную цель. Цель управления – это, что надо или желательно осуществить. Обычно она формулируется как ограничение на множество возможных состояний системы, или какой-либо показатель системы, который нужно поддерживать в заданных пределах, либо максимизировать. Например, целью управления могут быть поддержание на выходе схемы стабилизатора напряжения равного 220В или перемещение мобильного робота по заданному дорожному полотну.

Задающее воздействие g(t) – воздействие на устройство управления (управляющую систему), предназначенное для достижения цели управления. Задающее воздействие g(t), определяет требуемый закон управления.

Состояние управляемого объекта определяют конкретными значениями управляемых величин. Управляемая величина x(t) – координата объекта управления, значение которой зависит от управляющего воздействия u(t) и показывает степень достижения цели управления. Координата объекта управления может быть представлена следующими параметрами: напряжением источника питания, температурой раствора, давлением воздуха, азимутом самолета в пространстве и т.д. С точки зрения математического описания состояние объекта управления удобно представлять точкой, координатами которой являются значения параметров.

Под автоматическим управлением понимается автоматическое (без участия человека) осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.

С формальной точки зрения основная задача автоматического управления заключается в том, чтобы выработать управляющее воздействие u(t), таким образом, чтобы вектор состояния x(t) изменялся по требуемому закону с определенной точностью независимо от действия на автоматическую систему внешних возмущений f(t).

В основу ТАУ положена теория автоматического регулирования. Регулирование представляет собой простейшую разновидность управления. Автоматическим регулированием называется поддержание постоянной некоторой заданной величины, характеризующей процесс, или изменение ее по заданному закону.

1.2. Принципы автоматического управления

Принцип автоматического управления (регулирования) определяет алгоритм формирования управляющего воздействия в автоматической системе. Выбор того или иного принципа построения системы зависит от ее назначения, условий работы, возможностей получения необходимой рабочей информации, стабильности характеристик отдельных элементов и т.п. Одним из основных признаков,