Система автоматического управления

Система автоматического управления (САУ) — это совокупность технических средств и алгоритмов, предназначенная для поддержания заданных значений физических величин (параметров) или изменения их по определённому закону в управляемом объекте без непосредственного участия человека. САУ относятся к классу кибернетических систем и являются основой автоматизации производственных процессов, транспортных средств, энергетических установок и бытовой техники.

Основные понятия и классификация

В основе теории автоматического управления лежат понятия объекта управления (ОУ) и управляющего устройства (регулятора). Объект управления — это техническое устройство или процесс, чьё состояние требуется поддерживать или изменять. Управляющее устройство формирует сигналы, воздействующие на объект для достижения цели управления.

Классификация по принципу управления

САУ делятся на три основных типа:

• Разомкнутые системы — управляющее воздействие формируется без учёта фактического состояния объекта. Пример: автоматический уличный фонарь, включающийся по таймеру в определённое время.
• Замкнутые системы (с обратной связью) — управляющее устройство получает информацию о текущем состоянии объекта через датчики и корректирует воздействие. Пример: термостат в системе отопления, поддерживающий заданную температуру.
• Комбинированные системы — сочетают управление по возмущению (предварительная компенсация внешних воздействий) и по отклонению (обратная связь).

Классификация по виду сигналов

• Непрерывные (аналоговые) САУ — сигналы изменяются плавно во времени. Характерны для гидравлических, пневматических и классических электронных регуляторов.
• Дискретные САУ — сигналы квантованы по времени или уровню. Включают:
• Релейные системы (включено/выключено);
• Импульсные системы (сигналы в виде последовательности импульсов);
• Цифровые системы (на базе микроконтроллеров и компьютеров).

Структура и элементы САУ

Типовая замкнутая САУ включает следующие функциональные блоки:

1. Задающее устройство (ЗУ) — формирует сигнал задания (желаемое значение управляемой величины).
2. Сравнивающее устройство (СУ) — вычисляет рассогласование (ошибку) между заданным и фактическим значением.
3. Регулятор (управляющее устройство) — обрабатывает сигнал ошибки по определённому алгоритму и вырабатывает управляющий сигнал.
4. Исполнительное устройство (ИУ) — преобразует управляющий сигнал в физическое воздействие на объект (например, электродвигатель, клапан, нагреватель).
5. Объект управления (ОУ) — собственно управляемый процесс или устройство.
6. Датчик (измерительное устройство) — измеряет фактическое значение управляемой величины и преобразует его в сигнал обратной связи.

История развития

Первые автоматические системы управления появились ещё в античности: водяные часы Ктесибия (III век до н. э.) и поплавковый регулятор уровня в масляных лампах. Значительным достижением стал центробежный регулятор Уатта (1788 год), применённый для стабилизации частоты вращения паровой машины.

В XIX веке И. А. Вышнеградский и Дж. К. Максвелл заложили основы теории устойчивости систем управления. В XX веке развитие получили:

• Пневматические и гидравлические регуляторы (1920–1940-е);
• Электронные аналоговые регуляторы (1950–1960-е);
• Цифровые системы на базе микропроцессоров (с 1970-х);
• Современные распределённые системы управления (DCS) и программируемые логические контроллеры (ПЛК).

Типовые законы регулирования

Регуляторы реализуют различные алгоритмы обработки сигнала ошибки:

• Пропорциональный (П-регулятор) — управляющий сигнал пропорционален ошибке. Прост, но не устраняет статическую ошибку.
• Интегральный (И-регулятор) — сигнал пропорционален интегралу ошибки. Устраняет статическую ошибку, но может вызывать перерегулирование.
• Пропорционально-интегральный (ПИ-регулятор) — комбинация П и И составляющих. Наиболее распространён в промышленности.
• Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД-регулятор) — добавляет дифференциальную составляющую (пропорциональную скорости изменения ошибки), что улучшает реакцию на быстрые возмущения.

Устойчивость и качество управления

Устойчивость — способность системы возвращаться к заданному состоянию после прекращения внешнего возмущения. Критерии устойчивости разработаны А. Гурвицем, И. А. Вышнеградским, Г. Найквистом и другими. Качество управления оценивается по:

• Времени переходного процесса;
• Перерегулированию (максимальному отклонению от заданного значения);
• Статической ошибке (остаточному отклонению в установившемся режиме);
• Запасу устойчивости.

Применение

САУ используются практически во всех отраслях техники:

• Промышленность — автоматизация технологических процессов (химические реакторы, прокатные станы, конвейерные линии). В России широко применяются системы на базе ПЛК отечественного производства (например, «Овен», «ДеКон»).
• Энергетика — управление турбинами, котлами, ядерными реакторами. Автоматические регуляторы возбуждения синхронных генераторов обеспечивают стабильность напряжения в энергосистемах.
• Транспорт — автопилоты летательных аппаратов, круиз-контроль автомобилей, системы управления движением поездов (например, на Московском метрополитене).
• Робототехника — системы управления манипуляторами, мобильными роботами, беспилотными летательными аппаратами.
• Бытовая техника — термостаты холодильников, программаторы стиральных машин, системы климат-контроля.
• Оборонная и космическая промышленность — системы наведения ракет, стабилизации спутников, управления космическими аппаратами.

Современные тенденции

В XXI веке развитие САУ связано с:

• Внедрением искусственного интеллекта и нейросетевых регуляторов;
• Использованием беспроводных сенсорных сетей и интернета вещей (IoT);
• Разработкой адаптивных и самонастраивающихся систем;
• Применением нечёткой логики (fuzzy logic) для управления сложными нелинейными объектами;
• Созданием распределённых систем управления с децентрализованной архитектурой.

В России значительный вклад в теорию и практику САУ внесли учёные: А. А. Андронов (теория нелинейных колебаний), В. В. Солодовников (частотные методы синтеза), Я. З. Цыпкин (дискретные системы), А. А. Красовский (адаптивное управление).

Источники

1. Бесекерский В. А., Попов Е. П. «Теория систем автоматического управления». — СПб.: Профессия, 2003.
2. Дорф Р. К., Бишоп Р. Х. «Современные системы управления». — М.: Лаборатория базовых знаний, 2002.
3. Филипс Ч., Харбор Р. «Системы управления с обратной связью». — М.: Бином, 2007.
4. ГОСТ 21.208-2013 «Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах».
5. Материалы кафедры систем автоматического управления Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана.