Введение. 1 Вопрос. Краткие исторические сведения о развитии теории управления.

1 Вопрос. Краткие исторические сведения о развитии теории управления.

Теория автоматического управления в настоящее время сложилась в обширную дисциплину, результаты которой имеют не только прикладное, но и принципиальное значение. Вначале она создавалась для изучения закономерностей протекания процессов автоматического управления в технических системах, однако в последние годы ее результатами начинают пользоваться для изучения динамических свойств систем управления, биологических и социальных систем т.д.

Первые попытки конструирования автоматов относятся к глубокой древности. Из наиболее ранних регуляторов известны маятники для регулирования скорости хода часов и уравнители хода мукомольных мельниц. Интенсивное развитие техники автоматического регулирования начинается во время промышленного переворота, что было обусловлено высокими темпами развития производительных сил.

Первый автоматический регулятор, имевший практическое значение, был изобретен и построен русским изобретателем И.И. Ползуновым в 1765 г. Это был поплавковый регулятор уровня воды в котле его " огнедействующей машины". В 1784 г. английским механиком Уаттом создан центробежный регулятор скорости хода паровой машины.

Интенсивное развитие военной техники приводит к появлению автоматических устройств в вооружении. Русскими учеными и инженерами проводилась большая работа в области автоматизации военной техники.

Основоположником реактивной техники К.Э. Циолковским был создан первый в мире электрический регулятор для стабилизации продольного движения дирижабля, который содержал ряд новых идей, использованных в дальнейшем в разнообразных конструкциях автопилотов.

Задачи обеспечения устойчивой работы автоматических регуляторов и требуемых свойств процесса регулирования, возникавшие на практике, стимулировали теоретические исследования автоматических систем.

Нынешние технические достижения, в том числе и в ракетно-космической техники в значительной степени обусловлены развитием теории и практики автоматического управления, в том числе автоматических радиотехнических устройств.

2 Вопрос. Организационно методические указания по изучению дисциплины

Дисциплина является основой фундаментальной подготовки по радиотехнической специальности и является базой для изучения всех радиотехнических дисциплин.

Значение дисциплины " Радиоавтоматика" в системе подготовки инженера по радиотехнике чрезвычайно велико и целиком определяется той ролью, которую играют автоматические системы в современных радиотехнических комплексах, решающих сложнейшие задачи управления, передачи данных, связи, обработки и хранения информации.

Для успешного обучения по дисциплине «Радиоавтоматика» студентам необходимо усвоить учебный материал 9 лекционных, 9 практических и 3 лабораторных занятий. В качестве итогового контроля предусмотрен экзамен по дисциплине.

3 Вопрос. Понятие об управлении. Основные принципы управления

Процессы управления чрезвычайно многообразны, и мы постоянно наблюдаем их в окружающем нас мире. Например, человек в процессе своей деятельности управляет различными производственными процессами, средствами транспорта, химическими процессами и т.п. Сложные и разнообразные процессы управления протекают в летательных и космических аппаратах при изменении с помощью приборов параметров их движения, режимов работы. Примерами автоматизированных радиотехнических устройств могут служить радиолокационная станция орудийной наводки, самолетный радиолокационный прицел. Антенны этих устройств направляются в нужную точку пространства автоматически. Дальность до цели определяется также автоматически. В основе действия перечисленных разнообразных автоматических систем лежат некоторые общие принципы.

Управлением физическим процессом в некотором объекте будем называть воздействие, оказываемое на данный объект, приводящеек желаемым изменениям в управляемом процессе.

Объект, в котором протекает управляемый процесс, называется объектом управления.

Объекты управления в реальных условиях подвергаются не только действию управляющих воздействий - полезных сигналов, но и возмущений, помех.

Возмущения вызывают нарушения нормального течения процесса.

Рисунок 1

- - вектор управляемых координат объекта (вых. величины объекта)

- воздействие;

- - управляющее воздействие;

Пусть, например, объектом управления служит генератор синусоидальных колебаний, выходное напряжение которого и частота должны лежать в некоторых заданных пределах.

Тогда вектор выходных величин имеет две составляющие x ₁ и x ₂, в качестве которых выступают напряжение и частота колебаний генератора.

В качестве составляющих вектора возмущающих воздействий могут выступать изменения нагрузки на генератор, изменения питающих напряжений, температурные влияния и т.д.

Составляющими вектора управляющих воздействий могут служить входные сигналы, от которых зависят амплитуда и частота выходного напряжения генератора.

Величины , , связаны между собой математической зависимостью, определяемой природой объекта управления.

В общем случае записывают

(1)

где А - некоторый оператор.

Если объект управления является инерционным, то величины , и связаны между собой дифференциальными, интегральными или разностными уравнениями.

В случае безынерционного (статического) объекта уравнение (1) представляет собой обычную функциональную зависимость.

Для требуемого протекания процесса в объекте управляемые координаты должны поддерживаться в определенных пределах или изменяться по определенному закону.

Известны три фундаментальных принципа управления физическими процессами: разомкнутого управления, компенсации и обратной связи.

Разомкнутое управление.

Общая функциональная схема системы, работающейпо принципу разомкнутого управления, показана на рисунке 2.

Рисунок 2

Задатчик программы выдает сигнал x₀ (t), соответствующий требуемому изменению процесса x (t). Управляющее устройство вырабатывает управляющее воздействие u (t), которое прикладывается к объекту управления.

Название данного принципа связано с тем, что схема системы в этом случае имеет вид разомкнутой цепочки. Близость закона изменения x (t) к требуемому обеспечивается только конструкцией и выбором законов действия элементов системы.

Несмотря на очевидные недостатки, принцип разомкнутого управления применяется весьма широко.

Примером систем такого рода могут служить усилители, счетно-решающие элементы, различного рода линейные преобразователи одной физической величины в другую.

Возмущения, действующие на объект, должны быть, очевидно, достаточно малы, чтобыих действием можно было пренебречь.

-сигнал соответствующий требуемому изменению процесса ,

-управляющее воздействие.

Если большие, то в закон управления вводятся коррективы, компенсирующие эти влияния.

Принцип компенсации.

Функциональная схема системы, действующей по принципу компенсации, изображена на рис.3

Рисунок 3

Если возмущения настолько велики, чтоих действием пренебречь нельзя, то для повышения точностиих измеряют (если это возможно) и вводят в закон изменения управления u (t) коррективы, компенсирующие влияние возмущений.

Подчеркнем, что компенсация осуществляется только по тем возмущениям, которые измеряются.

Пример: биметаллическая система стержней с различными коэффициентами теплового расширения в маятнике хронометра, обеспечивающая постоянство длинны маятника при изменении t-ры.

Принцип обратной связи

Наиболее широко распространены системы, работающие по принципу обратной связи. Они характерны тем, что коррективы в управление объектом вносятся не на основе измерения возмущений, а по фактическому значению координат в системе или их отклонениям от требуемого изменения x₀(t). Это обеспечивается введением в систему дополнительной связи, в которой направление передачи воздействия обратно направлению основного воздействия на объект (рис.4).

Рисунок 4

На выходе вычитателя образуется сигнал называемый ошибкой управления.

Управляющее устройство называют также автоматическим регулятором. Объект и регулятор образуют замкнутую систему автоматического регулирования. Обратную связь, действующую с выхода на вход, называют главной обратной связью.

Принцип обратной связи является основным при построении систем, работающих в сложных условиях. Он широко распространен не только в технике, но и в живой природе, а также в управлении общественными процессами.

На практике иногда используются комбинированныесистемы, использующие для управления объектом как информацию о возмущающих воздействиях, так и сведения об отклонении управляемого процесса от требуемого его течения.

4. Вопрос. Классификация систем управления

По характеру изменения во времени управляющего воздействия системы автоматического управления делятся на три класса:

1. Системы автоматической стабилизации, у которых управляющее воздействие является постоянной величиной.

Примером систем автоматической стабилизации могут служить электронные стабилизаторы напряжения постоянного тока, широко применяемые для питания радиотехнической аппаратуры.

2. Системы программного управления, у которых управляющее воздействие изменяется во времени по строго определенной программе, т.е. является заданной функцией времени. Примером систем такого рода могут служить системы программного изменения частоты гетеродина в радиотехнических системах, осуществляющих поиск сигналов по частоте.

Программное управление можно осуществить по любому из описанных выше принципов или на основеих комбинации.

3. Следящие системы, в которых управляющее воздействие может изменяться во времени заранее не заданным образом, т.е. быть случайным процессом.

Типичным примером следящей системы является система управления положением антенны радиолокатора, предназначенного для автоматического определения координат маневрирующей воздушной цели.

По характеру функционирования системы при изменяющихся условиях работы и изменяющихся свойствах управляемого процесса системы автоматического управления делятся на обыкновенные и самонастраивающиеся. Под обыкновенными понимают системы, не обладающие способностью приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды и свойствам управляемого процесса.

Системы, обладающие таким свойством приспособления, называются самонастраивающимися или адаптивными.

Адаптивные автоматические системы все более широко внедряются в радиотехнических комплексах. Например, принципы адаптации используются при приеме сигналов при неполной информации об их характеристиках. В этом случае происходит автоматический анализ свойств сигналов для восполнения недостатка информации иперестройка параметров приемного устройства в соответствии с результатами анализа для обеспечения требуемого режима его работы.

Перестройка параметров или структуры системы обработки информации осуществляется в системах передачи данных при изменении помеховой обстановки в канале и свойств самого канала передачи информации.

В зависимости от характераизменения управленияво времени системы управления делятся на:

1) системы непрерывного действия. Между входными и выходными величинами элементов таких систем имеется непрерывная функциональная связь;

2) дискретные системы. В дискретных системах осуществляется квантование сигнала по времени или по уровню.

По типу уравнений, описывающих поведение системы, выделяют следующие их виды:

1) линейные системы, описываемые линейными уравнениями;

2) нелинейные системы, описываемые нелинейными уравнениями.

Очевидно, что линейные системы являются абстракцией, так как все реальные системы нелинейны и лишь приближенно, в определенных условиях работы могут считаться линейными,

В зависимости от того, меняются ли параметры системы во времени, различают следующие типы систем:

1) стационарные системы, параметры которых не изменяются с течением времени. Они описываются уравнениями с постоянными коэффициентами;

2) нестационарные системы, параметры которых меняются с течением времени.

Нестационарные системы называются также системами с переменными параметрами и описываются уравнениями с переменными коэффициентами.