1.1.1. Сутність автоматичного керування

Цілеспрямовані процеси, виконувані людиною для задоволення різних потреб, являють собою організовану сукупність дій – операцій, які ділять на два класи: робочі операції й операції керування. До робочих операцій відносять дії, безпосередньо необхідні для виконання процесу відповідно до тих природних законів, які визнають хід процесу, наприклад зняття стружки при обробці деталі на верстаті, обертання вала двигуна й т.п. Заміну праці людини в робочих операціях називають механізацією, ціль якої – звільнення людини від важких операцій, що вимагають більших витрат фізичної енергії (грабарства, підйом вантажів); у шкідливих операціях (хімічні, радіоактивні процеси); в одноманітних, стомлюючих для нервової системи операціях (загвинчування однотипних гвинтів при зборці, заповнення великої кількості типових документів, виконання великого обсягу стандартних обчислень і т.п.).

Для правильного й високоякісного виконання робочих операцій їх необхідно направляти діями іншого роду – операціями керування, які забезпечують у потрібні моменти часу початок, порядок проходження й припинення окремих операцій, забезпечують виділення необхідних для їхнього виконання ресурсів, задають потрібні параметри самого процесу: напрямок, швидкість, прискорення робочого інструмента, температуру, концентрацію в хімічному процесі й т.д. Сукупність керуючих операцій утворить процес керування.

Операції керування, частково або повністью, можуть виконувати технічні пристрої. Заміну праці людини в операціях керування називають автоматизауією, а технічні пристрої, що виконують операції керування, - автоматичними пристроями. Сукупність технічних засобів – машин, знарядь праці, засобів механізації, що виконують даний процес, з погляду керування, називається об'єктом керування. Сукупність засобів керування й об'єкта утворюють систему керування. Систему, у якій всі робітники й керуючої операції виконують автоматичні пристрої, називають автоматичною системою. Систему, у якій автоматизована тільки частина операцій, інша ж їхня частина (звичайно найбільш відповідальна) зберігається за людьми, називають автоматизованою (частково автоматичної) системою.

Якщо об’єктами й операціями автоматизації керування охоплюються всі технологічні процеси й агрегати, групи агрегатів, цехи, підприємства, людські колективи й організації, то автоматизація носить назву повної. Коли автоматизація охоплює окремі цеха або групи цехів, то вона називається комплексною, а якщо тільки окремі процеси – то частковою.

Усякий технічний процес характеризується сукупністю фізичних величин, називаних показниками, координатами, а іноді параметрами процесу. Для здійснення керування й побудови керованих систем потрібні знання двоякого виду: по-перше, це знання даного процесу та його технології, а по-друге – знання принципів і методів керування, загальних для найрізноманітніших об'єктів і процесів. Конкретні, спеціальні знання дають можливість установити, що і як варто змінювати в системі, щоб одержати необхідний результат. Все це задано технологами, тому вивчення необхідно вести абстрагуючись від приватних властивостей й ставлячись на загальні закони й методи керування й способи їхньої реалізації.

При рішенні задачі автоматизації виникає необхідність у різного виду операцій керування. До таких видів операцій відносяться початок (включення), припинення (відключення) даної операції й перехід від однієї операції до іншої (перемикання). Різні аспекти цих видів операцій розглядаються в теорії перемикаючих пристроїв і частково в теорії розкладів, що становлять предмет інших курсів.

Інша група операцій пов'язана з контролем за координатами з метою встановлення чи не вийшли вони за припустимі границі. Ця група операцій складається у вимірі значень координат і видачі результатів виміру в зручній для людини-оператора формі. Операції цієї групи розглядаються в теорії автоматичного контролю.

Для правильного й високоякісного ведення процесу деякі з його координат (керовані координати) повинні підтримуватися в певних границях або змінюватися за певним законом. Тому третю групу операцій керування – операції по підтримуванню заданого закону зміни координат, вивчають у теорії автоматичного керування, який присвячений даний курс.

Необхідність у керуванні значеннями координат виникає в тому випадку, коли нормальний хід процесу порушується через різний рід збурювань, тобто коливань навантаження, впливів зовнішнього середовища або внутрішніх перешкод. Нехай х = {x₁, х₂, ..., х_п} — сукупність керованих координат процесу.

Рис. 1.1 – Структурна схема АСК

У схемі, зображеної на рис. 1.1, об'єкт поданий прямокутником, а керовані координати, або, як їх часто називають, вихідні величини об'єкта, – одиночними стрілками, якщо вони скалярні величини y₁, y₂,...,y_k або подвійними при зображенні вектора y. На схемі показані також, впливи, що обурюють z = {z₁, z₂, ..., z_i}, вхідні та керуючі впливи х = {x₁, х₂, ..., х_n}, u = {u₁, u₂, ..., u_t}, що прикладаються до керуючого органа об'єкта КО, відповідно, за допомогою яких можна змінювати координати y. Величини x, y, u й z залежно від природи об'єкта зв'язані різними математичними залежностями. У загальному випадку

y = А (z, x, u), (1.1)

де А – оператор, що визначає вид залежності.

У найпростішому випадку, коли це звичайна функціональна залежність

y = F (z, x, u), (1.2)

об'єкт називають статичним або безінерційним, а залежність (1.2) або її графічне зображення – статичною характеристикою об'єкта.

Якщо об'єкт має інерцію, то зміни координат під впливом збурень z або керувань u відбуваються не миттєво й у цьому випадку об'єкт називають динамічним. Величини y, х, u й z у динамічних об'єктах зв'язані диференціальними, інтегральними або різницевими рівняннями. Зміни координат у нормальному ході процесу визначаються сукупністю правил, приписань або математичних залежностей, що називається алгоритмом функціонування системи. Алгоритм функціонування складається на підставі технологічних, економічних й інших вимог без врахування динамічних перетворень. У теорії автоматичного регулювання алгоритм функціонування вважають заданим.

Він залежить від алгоритму функціонування і від динамічних властивостей системи.