1 Значение автоматизации
| Вид материала | Задача |
- Экзаменационные вопросы по дисциплине «Автоматика и телемеханика систем газоснабжения», 37.76kb.
- Главное событие промышленной автоматизации Урала, 54.58kb.
- Радиотехника система автоматизации управления радиочастотным спектром, 289.94kb.
- Основы промышленной автоматизации, 22.02kb.
- Игра №1. «Лягушачий концерт». (Автоматизация в открытых слогах), 58.09kb.
- 20 Системы автоматизации документооборота, 112.82kb.
- Ами на базе типовых аппаратных и программных средств, включающих аппаратно-программные, 35.23kb.
- Реферат по курсу : основы автоматизации систем управления тема: автоматизированное, 319.96kb.
- Центр компетенции по бюджетному учету, 22.67kb.
- Государственная статистическая отчетность, 59.16kb.
1.Введение.
1.1. Значение автоматизации.
Задача автоматизации состоит в осуществлении автоматизированного управления различными техническими процессами [Л.1].
Технические процессы можно разделить на ряд видов, отличающихся один от другого целями, физической природой, конструктивным оформлением, способом управления и т.д. Так, мы можем назвать технологические или производственные процессы, т.е. процессы переработки различных материалов, конечная цель которых – выработка материальной продукции, создание инженерных сооружений и т.п.; энергетические процессы, целью которых является выработка, преобразование и передача различных видов энергии; транспортные процессы, результат которых – перемещение в пространстве грузов и пассажиров; процессы обработки и передачи информации, т.е. множества физических факторов, сочетания которых служат условными символами, соответствующими определенным понятиям, идеям, эмоциям или явлениям и т.д.
Для того чтобы эти процессы протекали правильно или наилучшим образом, ими нужно управлять.
Большой опыт, накопленный в автоматизации, показывает, что несмотря на существенные различия многообразных технических процессов техника управления ими основывается на ряде правил и законов, общих для многих из них процессов. Более того, ряд законов управления оказывается общим не только для технических устройств, но и для живых организмов и даже для определенных явлений общественной жизни людей.
Изучение законов управления, общих для технических устройств, живых организмов и общества, составляет предмет кибернетики.
Академик А.Н. Колмогоров так определяет кибернетику [Л.2]:
''Кибернетика занимается изучением систем любой природы, способных воспринимать, хранить и преобразовывать информацию и использовать ее для управления и регулирования. ''
Многие ученые расчленяют кибернетику на ее составные части: техническую, биологическую и социальную. Техническую кибернетику отождествляют с автоматикой, отрасль биологической кибернетики называют бионикой, а социальные вопросы управления все больше относят к экономической кибернетике, инженерной психологии и др. Такое разветвление, подсказанное самой жизнью, хотя и полезно, но не должно разрушать главного – единых законов и принципов
управления, формируемых кибернетикой.
Мы уже использовали ряд терминов – управление, автоматизация, регулирование; однако они, хотя и получили в последние годы широкое распространение, все же нуждаются в более точном определении и пояснении [ Л.1]:
Механизация и автоматизация.
Всякий технический процесс можно расчленить на ряд более простых составных, но связанных между собой процессов. Так процесс обработки детали на токарном станке включает следующие составные процессы:1)получение из склада заготовок;2)транспортировку заготовок в цеховую кладовую;3)транспортировку заготовок к станку;4)подготовку станка к работе (установка инструмента, передаточного числа и т.п.);5)установку детали на станке;6)пуск станка;7)процесс резания;8)контроль изделия;9)снятие изделия со станка и т.д. Эти процессы неравноценны. Процессы установки изделия и инструмента и резания – это основные, они требуют работника наивысшей квалификации. Остальные процессы вспомогательные, они требуют менее квалифицированного труда, но, поскольку без них невозможен основной процесс, роль их в едином производственном процессе также значительна.
В технических процессах можно выделять рабочие операции и операции управления.
Рабочие операции представляют собою такие действия, непосредственным результатом которых является требуемая обработка материала, энергии, информации или требуемое перемещение материала.
Так, в операции резания рабочей операцией будет снятие стружки; в транспортировке деталей – перемещение тележки; в выработке энергии на гидроэлектростанции - падение потока воды на лопасти рабочего колеса турбины, вращение роторов турбины и генератора, питание возбудителя. Рабочие операции сопряжены с затратами энергии; если они выполняются человеком, то на их выполнение затрачивается его физическая сила.
Вместе с тем очевидно, что для получения хорошего качества продукции в любом технологическом процессе требуются дополнительные операции, должным образом направляющие подводимую энергию: резцу придаются определенное направление и скорость, чтобы обрабатываемая поверхность получалась точной и чистой; поезду – нужные скорости и ускорения, чтобы езда была плавной и быстрой; надо управлять температурой, давлением и другими факторами, в химическом реакторе, чтобы обеспечить высокое качество при высокой производительности.
Операции управления, которыми обеспечивается придание в нужные моменты нужных направлений, скоростей, ускорений, температур, влажности и других показателей процесса, а также пуск, прекращение операции и переход от одной операции к другой, иногда обособлены от рабочих операций (н-р, в автомобиле рабочая операция – вращение вала – совершается двигателем, а операция управления ходом машины возложены на шофера), а иногда тесно с ними связаны
(н-р, кузнец, ударяя молотом по поковке, одновременно выполняет и рабочую операцию удара, и операцию управления ударом). Операции управления требуют определенной квалификации исполнителя. Можно утверждать, что искусство токаря, машиниста и даже астронома состоит в правильном, высококачественном управлении рабочим инструментом, машиной или прибором. На операции управления затрачивается в основном интеллектуальный труд человека.
Замена труда человека в рабочих операциях работой машин и механизмов называется механизацией.
Заметим, что механизировать можно не только физический, но и умственный труд, т.к. в процессах обработки информации основные рабочие процессы требуют умственного труда, н-р процессы вычисления в бухгалтерских работах и т.п. Это еще не автоматизация, т.к. управление счетными машинами и другими устройствами выполняются человеком.
В механизированном производстве человек еще не освобожден от функций управления и наблюдения за процессом.
Замена труда человека в операциях управления действиями технических управляющих устройств называется автоматизацией.
Техническое устройство, выполняющее операции управления без непосредственного участия человека, называется автоматическим устройством.
В настоящее время автоматика приобретает особенно важное значение, т.к. только с помощью автоматизации можно обеспечить требуемые темпы производства [Л.2.]. Автоматика полностью стирает грани между умственным и физическим трудом. Она все больше проникает во все отрасли народного хозяйства. Широкое внедрение автоматики во все области техники стало возможным благодаря таким основным факторам, как высокий темп работы (машина может воспринять такой темп работы, который не под силу человеку), широкий охват производства (с помощью автоматизированных средств можно одновременно управлять и регулировать многими объектами), способность длительной работы (любая автоматически действующая машина может работать бесконечно долго), вредность и недоступность производства (в некоторых отраслях промышленности, где производство вредно, ни о каком участии человека в нем не может быть и речи).
[Л.1]
1.2. Краткая история возникновения и развития теории автоматического управления.
Первые сведения об автоматах появились в начале нашей эры в работах Герона Александрийского ''Пневматика'' и ''Механика'', где описаны автоматы, созданные самим Героном и его учителем Ктесибием: пневмоавтомат для открывания дверей храма при зажигании жертвенного огня, водяной орган, механический театр марионеток, прибор для измерения протяжённости дорог, напоминающий счётчик такси, автомат для продажи священной воды – прообраз наших автоматов для отпуска жидкостей. Идеи Герона значительно опередили свой век и не нашли промышленного применения в его эпоху.
В средние века начинает развиваться "андроидная" автоматика. Искусные механики создают автоматы, подражающие отдельным действиям человека. Выполнение действий, свойственных разумному существу, неодушевленным механизмом всегда поражало воображение людей. Чтобы усилить впечатление, изобретатели придавали автоматам внешнее сходство с человеком и называли их “андроидами”, т.е. человекоподобными.
В XIII веке немецкий философ - схоласт и алхимик Альберт фон Большдат, прозванный “великим”, построил “железного человека” – робота для открывания и закрывания дверей. Несмотря на примитивность действий робота, воображение современников было поражено столь сильно, что вокруг него стали складываться легенды. Как бы предвосхищая опасения некоторых наших современников перед само усовершенствующимся машинами, способными в конечном счете силу своего превосходства поработить и истребить человечество, легенда рассказывает, как железный человек постепенно научился говорить и рассуждать и, в конце концов был разбит на куски одним из друзей Альберта. Сходная легенда бытует в Чехословакии. В ней рассказывается, как пражский раввин Лев, мудрец и философ, создал глиняного человека, который в результате самоусовершенствования вышел из повиновения, и его создатель после одного особенно опасного буйства, учинённого андроидом на улице, был вынужден уничтожить своё творение.
Весьма интересные андроиды были созданы в XVII – XVIII в. в В XVIII в. швейцарские часовщики Пьер Дро и его сын Анри создали механического писца, выводившего гусиным пером фразы на бумаге; механического художника, рисовавшего головки и фигурки людей; механическую пианистку, исполнявшую на фисгармонии музыкальную пьесу. Дро возили своих андроидов по Европе, но, попав в руки инквизиции, были обвинены в колдовстве и заключены в тюрьму.
Прекрасный “театр автоматов” был создан в XVIII в. русским механиком самоучкой И.П. Кулибиным. Его “театр” помещён в “часах яичной фигуры”, хранящейся в Государственном Эрмитаже в Ленинграде. Каждый час в корпусе яйца распахивались дверцы, и зрители видели движущиеся под музыку фигурки.
На рубеже XVIII – XIX в.в., в эпоху промышленного переворота в Европе, начинается новый этап в развитии автоматики, связанный с её внедрением в промышленность. К первым промышленным автоматическим устройствам относятся регулятор уровня котла паровой машины И.И. Ползунова (1765г.), регулятор скорости паровой машины Уатта (1784г.), система программного управления от перфоленты ткацким станком Жаккара (1804-1808г.г.) и т.д. Следует подчеркнуть, что основная заслуга Ползунова и Уатта состоит именно в промышленном применении регуляторов, сами же идеи, на которых основана конструкция этих регуляторов, использовались намного раньше. Неоднократно исследователи в области техники пытались установить, кому принадлежит приоритет в области создания регулирующего устройства, действующего по принципу отклонения, и исследования всегда уводили в глубь веков. Так, Араго указывал, что центробежный маятник задолго до Уатта использовался при регулировании хода водяных мельниц и что Уатт взял свой знаменитый патент на усовершенствование, а не на изобретение. По-видимому, это – народное изобретение, дату которого установить трудно. Ушер приводит схему поплавкового регулятора уровня водяных часов, который применялся арабами начала нашей эры; схема просуществовала вплоть до XVIII в., когда водяные часы были вытеснены механическими.
Этот новый этап развития автоматики, длившийся свыше полутора столетий, сыграл огромную роль в технике. В этот период, хотя ещё медленно и смутно, формулируется ряд важных принципов автоматики: принцип регулирования по отклонению Ползунова – Уатта, развившийся в наше время в концепцию обратной связи, общую для управляемых машин и живых организмов; принцип регулирования по нагрузке Понселе, развившийся в наши дни в концепцию компенсации воздействия внешней среды и послуживший основой теории инвариантности; метод регулирования по производной братьев Сименсов, развившийся впоследствии в теорию корректирующих и прогнозирующих цепей. Уже в первой половине прошлого столетия появляются теоретические работы, посвящённые исследованиям процессов регулирования машин. Сначала ещё не было речи о новой науке, действие автоматов изучалось в рамках прикладной механики. В 1868г. выходит в свет работа Максвелла “О регуляторах”, а в 1876г. – работа И.А. Вышнеградского “О регуляторах прямого действия”. До этих работ исследователи изучали регулятор отдельно от машины. Максвелл и Вышнеградский исследовали регулятор и машину как единую динамическую систему и смело упростили задачу, линеаризовав сложные дифференциальные уравнения, что позволило дать общие методы исследования динамики систем регулирования. Этими работами было положено начало теории автоматного регулирования. Особенно важную роль сыграла работа И.А. Вышнеградского, в которой можно найти истоки многих современных инженерных методов исследования устойчивости и качества регулирования (диаграммы устойчивости и распределения корней, выделение областей апериодичности и монотонности и т.д.)
Интересно отметить, что именно в связи с запросами теории регулирования были разработаны и сформулированы алгебраические критерии устойчивости Рауса (1874г.) и Гурвица (1895г.). Раус выполнил свою работу, откликаясь на предложение Максвелла, а Гурвиц - на просьбу Стодолы.
Работы Стодолы занимают видное место в теории регулирования. Им была исследована устойчивость ряда типичных схем непрямого регулирования на примерах паровых и гидравлических турбин.
Крупный вклад в теорию регулирования сделан Н.Е. Жуковским, автором труда “О прочности движения” и первого русского учебника “Теория регулирования хода машин”.
Основы общей теории устойчивости динамических систем были заложены трудами А.М. Ляпунова в работе “Общая задача об устойчивости движения” (1892г.). Он впервые дал точное определение устойчивости, наилучшим образом удовлетворяющее многим техническим задачам, обосновал допустимость исследования устойчивости “в малом” по первому приближению (по линеаризованным уравнениям) и дал метод исследования устойчивости “в большом” с помощью функций Ляпунова.
К середине ХХ в. автоматика постепенно проникает во все отрасли техники и захватывает самые разнообразные процессы. К началу века теория регулирования выходит из рамок прикладной механики. Выходят в свет работы Стодолы по регулированию турбин, Толле ''Регулирование силовых машин'' (1905г.), Тринкса ''Регуляторы и регулирование первичных двигателей'' (1919г.); упомянутый выше учебник Н.Е. Жуковского; книга Жюильяра ''Автоматические регуляторы электрических машин'' (1928г.). Становится ясным, что разнообразные по конструктивной форме системы регулирования базируются на ряде общих законов. Эта мысль чётко формулируется в работах И.Н. Вознесенского – основателя одной из крупных советских школ в области теории регулирования.
В это же время в промышленности возникают группы специалистов, перерастающие в школы советского регуляторостроения. С усложнением систем автоматного регулирования и повышением требований к качеству процесса регулирования классические методы теории регулирования, опиравшиеся на алгебраические критерии устойчивости, перестали удовлетворять инженеров-практиков. Эти методы были громоздкими, они не показывали достаточно точной связи между устойчивостью, качеством регулирования и параметрами системы…
Мысль исследователей прежде всего обращается к привычным для инженера графоаналитическим методам.
В 1932 г. американский учёный Найквист предлагает критерии устойчивости регенеративных радиотехнических усилителей с обратной связью, основанный на свойствах частотной характеристики системы в разомкнутом состоянии.
В 1936 г. ЦК ВЛКСМ был организован конкурс работ молодых учёных. А.В. Михайлов представил на этот конкурс работу “ Гармонический метод в теории регулирования”, которая получила высокую оценку и была удостоена премии. В 1938 г. она была опубликована в журнале “Автоматика и телемеханика”. Работа А.В. Михайлова открыла новый этап в теории регулирования. Михайлов показал целесообразность применения во многих случаях частотных методов, в частности критерия Найквиста, к системам автоматического регулирования и предложил также свой новый критерий устойчивости, не требующий предварительного размыкания цепи регулирования.
Частотные методы ранее применялись в радиотехнике и теории связи. С введением их в ТАР начался новый плодотворный этап её развития. Одновременно идеи ТАР стали проникать в радиотехнику, стимулируя развитие многозвенных усилителей, динамической теории фильтрующих и корректирующих цепей. Частотные методы, основанные на привычном для инженера графическом изображении динамических характеристик системы, быстро вошли в практику и дали возможность разработать ряд инженерных методов анализа и синтеза САР. В 1994 г. Леонард в Германии предложил критерий, аналогичный критерию Михайлова. Частотные методы в 40-х г.г. получают бурное развитие.
Боде и Мак Кол в 1946 г. разработали метод исследования устойчивости при заданном запасе устойчивости по логарифмическим частотным характеристикам. Браун и Холл показали, как можно судить по виду АФХ разомкнутой системы о колебательности замкнутой системы. В книге коллектива американских авторов под редакцией Джеймса, Николса и Филипса «теория следящих систем », выпущенной в 1947 г., дан метод построения следящих систем на базе заданного показателя колебательности, а также на основе критерия среднеквадратичной ошибки, предложенного в СССР А. А. Хоркевичем в 1947 г. и в США Холлом в 1943 г. Основываясь на идеях А. Н. Колмогорова, высказанных в 1941 г. и развитых им в 1993 г., Винер разрабатывает метод наилучшего линейного фильтра, удовлетворяющего критерию наименьшей среднеквадратичной ошибки.
В книге Брауна и Кемпбела «Принципы сервомеханизмов» публикуется метод Флойда, позволяющий построить переходный процесс для случая воздействия на систему импульсной функции методом разбивки вещественной частной характеристики такой системы на трапеции.
В СССР видную роль в пропаганде и развитии частных методов сыграли В. В. Солодовников. Им был предложен метод оценки качества по вещественным частотным характеристикам, разработаны метод построения переходных процессов с помощью трапецеидальных характеристик при ступенчатых воздействиях (1949г.) и метод синтеза корректирующих устройств, построено большое количество таблиц номограмм, облегчающих анализ и синтез САР, показана возможность применения частотных методов к системам с распределёнными параметрами и запозданием.
Если до 40х г.г. центральное место в ТАР занимало исследование устойчивости, то позднее центр тяжести переносится на исследование качества, т.е. на определение таких важных показателей качества, как быстродействие, перерегулирование, колебательность процесса.
Первое исследование одного из качественных показателей процесса прямого регулирования – монотонности – было выполнено И. А. Вышнеградским. Однако долгое время исследования качества выполнялись лишь в редких разработках для простейших частных задач. Есть сведения, что в одном из неопубликованных докладов И. Н. Вознесенского был описан метод, представлявший собою распространение критерия Гурвица на оценку расстояния ближайшего корня характеристического уравнения до мнимой оси. В 1945 г. Я. З. Ципкин и П. В. Бромберг независимо от Вознесенского, назвав расстояние от мнимой оси до ближайшего к ней корня степенью устойчивости, предложили метод анализа качества по степени устойчивости.
В 1948 г. К. Ф. Теодорчиком в СССР и в 1950 г. Ивэнсом (Evans) в США был предложен для исследования качества метод корневых годографов, получивший широкое распространение за рубежом. В этом методе сделана интересная попытка связать частотные и корневые методы.
Третье направление в исследовании качества основывается на интегральных оценках, характеризующих динамическую точность САР. Общие методы определения интегральных оценок разрабатывалась применительно к различным динамическим системам в трудах Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1919 г.), А. А. Кулебакиным, А. А. Фельбауманом, О. М. Крыжановским, А. А. Красовским, Б. В. Булгаковым, Н. Д. Моисеевым и др.
Упомянутыми выше работами по существу была создана новая научно-техническая дисциплина – линейная теория автоматического регулирования.
См. [Л2] стр.6.1.
1.3. Предмет цель и содержание курса.
Ранее уже было дано определение кибернетики, главную сущность которой составила всеобъемлющая теория управления живой и неживой природой. Техническим фундаментом кибернетики является автоматика. [Л. 2] Эти науки столь же близки между собой, как и различны. Обе они призваны объединить общие законы управления процессами, происходящие в природе без непосредственного участия человека. Однако автоматика всегда распространялась, главным образом, на физическую среду деятельности человека, на замену и повторение простейших движений его тела и конечностей. Появление же кибернетики вызвано слиянием многих до неё существовавших независимых дисциплин, каждая из которых, в свою очередь, порождалась потребностями практики. К числу их можно отнести теорию информации, теорию алгоритмов, теорию автоматов.
В энциклопедическом словаре слову автоматика даётся следующее толкование: “Автоматика – техническая наука, разрабатывающая принципы построения автоматических систем и необходимых для них автоматических средств (элементов), методы анализа и синтеза этих систем.” Однако в будущем лексиконе этому слову придают более широкий смысл. Под автоматикой подразумевают собрание большого объёма теоретических сведений об автоматических системах, их элементах, а также все устройства, которые работают без человека, но под его непосредственным наблюдением, хотя и эпизодически. За последние годы сфера влияния автоматики настолько расширилась, что к ней стали относить статическую динамику, процессы управления движением летательных аппаратов, различные проблемы игровых ситуаций, вопросы адаптации, теорию оптимального управления, аналитическое конструирование всевозможных приборов и систем.
Принципиально новый оттенок автоматике придавали вычислительные машины, которые, возникнув самостоятельно и, развившись до сложных комплексов, стали постепенно входить составной частью в сложные автоматические системы.
Как известно, автоматику подразделяют на две части:
- Теорию автоматического управления;
- Технические средства построения автоматических систем.
Теория автоматического управления (ТАУ) – это наука об общих принципах построения автоматических систем и закономерностях протекающих в них процессах.
Основная задача этой науки состоит в построении при помощи инженерных методов оптимальных или близких к ним автоматических систем, а также в исследовании статики и динамики этих систем.
Современные методы ТАУ 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.).
Курс ТАУ ставит своей целью ознакомление учащегося с общими принципами построения систем автоматического управления (САУ), с процессами и методами исследования процессов в этих системах.
[Содержание курса. Литература.]