Автоматика: Работающая само-стоятельно или без вмешательства человека. Существует две области внедрения автоматики:

— В системы прерывистых явлений. Речь идёт об автоматизме (последовательности действий по времени). Примеры применения: автоматические распределители, лифты, автоматический монтаж в промышленной сфере, ближний свет, железнодорожные переезды.

— В непрерывных системах для овладения и/или управления физическими параметрами определённой обработки и без внешней помощи. Несколько примеров применения: угол ракетного двигателя, скорость вращения CD-устройства, положение руки робота, автопилот самолёта.

В этом курсе мы затрагиваем только автоматику непрерывных систем.

1.2 Основные принципы

Создать «обратную связь» и реагировать на действия, которые происходят, зная, что требуется.

Этот принцип используется каждый день в большинстве наших действий. Для вождения мы должны следить за дорогой и беспрестанно регулировать направление машины, даже если нет поворотов.

1.2.1 Понятие системы, разомкнутого контура (РК), замкнутого контура (ЗК)

Автоматика может применяться ко всему, что двигается, работает, преобразуется. Предмет применения автоматики называется системой. Система характеризуется входными и выходными величинами. Входные – величины, оказывающие воздействие на систему. Существует два их типа:

управление: те, что можно держать под контролем

возмущения: те, что не поддаются управлению

Система называется разомкнутого контура, так как управление разрабатывается без знания выходных величин: нет обратной связи. В обратном случае система называется замкнутого контура. Управление – это функция команды на выходе (желаемая величина на выходе). Для наблюдения выходных величин используются датчики. Информация от датчиков позволяет обрабатывать управление.

Рис. 1.1 – Схема системы, открытого контура (вверху), замкнутого контура (внизу)

Расмотренное позволяет дать другое определение автоматики. Автоматика: наука и технология, позволяющая контролировать поведение системы (выраженное её выходными величинами), в действии с соответствующим способом входных величин.

1.3 Примеры

1.3.1 Отопление комнаты

Рассмотрим электроотопление комнаты. Система образована совокупностью отопление + комната. Решением системы является температура комнаты. Управление системой – это позиция 0 или 1 выключателя. Нарушениями могут быть открытие окна, двери или солнечные лучи. В системе открытого контура управление не зависит от выхода. Для создания обратной связи можно использовать термостат. Управление также разрабатывается по функции от инструкции (желаемой температуры) и от выхода (температуры комнаты).

1.3.2 Система автоматического регулирования по положению спутниковой антенны

1.4 Необходимость закрытого контура

Рис. 1.2 – Схема регулирования температуры комнаты термостатом

В виде исключения, система управления может производить действия открытого контура с одного сигнала команды. Но закрытый контур (обратная связь) способен

– стабилизировать неустойчивую систему ОК

– компенсировать внешние искажения

– компенсировать внутренние неточности в собственном процессе

Система управления может реализовать две различные функции:

– система автоматического управления, т.е. слежение за выходом различных команд по времени;

– регулирование, т.е. компенсация от эффекта различных искажений на выходе (команда, остающаяся постоянной)

1.3 Теория систем и теория управления

1.3.1 Понятие системы

Система, скопление взаимосвязанных элементов, созданная естественно или искусственно с целью выполнить определённую задачу. Этот режим определяется одной или несколькими переменными, входами системы. Результат действия на входе – это ответ системы, которая может характеризоваться поведением одной или нескольких переменных на выходе. Полная система, где один из составных элементов представляется в общих чертах функциональной схемой, состоящей из прямоугольника, в котором применяются сигналы входа, представленные входящими стрелками. Действие на входе создаёт так, чтобы измеряемые сигналами на выходе результаты представлялись выходными сигналами. Заметим также, что понятие системы неразделимо с понятием сигнала.

Рис. 1.24 – Функциональная схема

Входные данные, принимающие вид системы, могут быть различной природы. Одни предназначены для осуществления действий, приводящих в движение желаемое действие системы; это команды. Другие входные данные нарушают желаемую работу и определяются как искажения.

Рис. 1.25 – Команды e(t) и искажения d(t)

Каждый основной элемент целой системы может быть охарактеризован конечным числом переменных и взаимозависимость переменных, характеризующих каждый элемент, может быть выражена в форме математического закона. Следовательно, связь между входами и выходами системы – это выражение законов, связанных с системой, т.е. сочетание предшествующих математических законов. Совокупность математических законов, регулирующих причинность между входами и выходами системы, создаёт математическую модель системы. Моделирование, подготовительный этап анализа некоторой системы, независимо от физической природы, состава и жанра сложности допускает следующие этапы:

– обозначение соответствующих переменных для характеризации каждого элемента, составляющего систему,

– характеризация связей между переменными,

– математическое представление взаимодействий элементов через математическое описание взаимодействий переменных,

– формирование системы связей между переменными, характеризующими систему в целом,

– формирование системы связей между переменными входа и переменными выхода.

Важно отметить, что все эти аспекты анализа системы, как и развитие в продолжении, соотносятся с теорией систем абстрактной точки зрения лучше, чем с физической точкой зрения. Это означает, что теория систем, физическое тождество связанных с системой переменных, имеет меньшее значение, чем математические связи между самими переменными.