1 ТАУ Теория автоматического управления для чайников Часть 1 основные понятия

1:04 Этот проект предназначен для 1 знакомства с теорией автоматического управления в нем. Я попытаюсь объяснить на пальцах основные понятия теории автоматического регулирования, надеюсь. Этот проект станет стартовой площадкой для серьезного изучения Тау. Изложение на каждом шагу грешит нестрогостью. Доказательства не приводятся, формулы используются только там, где. Без них нельзя от вас, уважаемый зритель. Требуется иметь представление о некоторых разделах курса высшей математики, производных и интегралах дифференциальных уравнениях линейной. Алгебре, матрицах и в комплексных числах попробуем вникнуть в 3 волшебные буквы Тау. Теория автоматического управления, часть 1, основные понятия, фундаментальные принципы управления. Многие задачи управления в современном мире связаны с техническими системами, автомобилями, кораблями, самолетами, станками. Например, нужно поддерживать заданные частоту вращения двигателя. Высоту самолета, курс корабля, температуру в холодильнике или в печи. Если эти задачи решаются без участия человека, говорят об автоматическом управлении, развитие теории управления. Началось в 19 веке в период промышленной революции, сначала это направление в науке разрабатывалось механиками для решения задач регулирования, то есть поддержание заданного. Значения, к примеру, частоты вращения температуры или давления в технических устройствах, например, в паровых машинах отсюда. Происходит название теории автоматического регулирования.

2:37 Кроме классических задач регулирования теория автоматического управления занимается также оптимизацией законов управления вопросами, приспособляемости, адаптации. В задачах управления всегда есть 2 объекта, управляемый и управляющий, управляемый объект. Обычно называют объектом управления, а управляющий объект регулятором, например при. Управлении частотой вращения объект управления, это двигатель электромотор турбина, задачи стабилизации курса корабля. Корабль, погруженный в воду, регуляторы могут быть построены. На разных принципах самый знаменитый из 1 механических регуляторов центробежный регулятор уата, предназначенный для стабилизации частоты вращения паровой турбины, когда частота. Вращения увеличивается, шарики расходятся из за увеличения центробежной силы. При этом через систему рычагов немного закрывается заслонка, уменьшая поток пара на турбину.

4:02 Регулятор температуры в современном холодильнике или печи представляет собой электронную схему, которая включает режим охлаждения или нагрева. Если температура становится выше или ниже заданной в современных системах регуляторы, это. Микропроцесорные устройства или компьютеры они успешно управляют самолетами и космическими кораблями. Без участия человека обычно регулятор действует на объект управления не прямо, а через исполнительные механизмы, которые могут. Усиливать и преобразовывать сигнал управления, например, электрический сигнал может превращаться в перемещение клапана, регулирующего расход топлива или в поворот руля на некоторый угол, чтобы регулятор мог видеть, что фактически происходит. С объектом нужны датчики, при помощи которых измеряются те характеристики объекта, которыми нужно управлять. Кроме того, качество управления можно улучшить, если получать дополнительную информацию, измерять внутренние свойства объекта.

5:01 Итак, в типичную систему управления входят объект управления регулятор. Исполнительный механизм, который еще называют привод и датчики, однако набор этих элементов еще не система для превращения в систему. Нужны каналы связи, через них идет обмен информацией между элементами для передачи информации, могут использоваться электрический. Ток, воздух в пневматических системах, жидкость в системах гидравлических компьютерная сеть, а взаимосвязанные элементы. Это уже система, которая за счет своих связей обладает особыми свойствами, которых нет у отдельных элементов и любой их комбинации.

5:46 Основная интрига управления связана с тем, что на объект действует окружающая среда. Так называемые внешние возмущения, которые мешают регулятору выполнять поставленную задачу, большинство возмущений заранее. Непредсказуемы, то есть носят случайный характер. Кроме того, датчики измеряют параметры неточно, а с некоторой ошибкой, пусть и малый. В этом случае мы говорим, что присутствует шум измерений по аналогии с шумами. В радиотехнике, которые искажают сигналы, подводя итог вышесказанному. Мы получили структурную схему системы управления, если применить ее, например, в системе управления курсом корабля, тогда объектом управления. Будет сам корабль, находящийся в воде для управления его курсом, используется руль, изменяющий направление потока воды. Регулятором будет цифровая вычислительная машина в качестве привода рулевое устройство. Которое усиливает управляющий электрический сигнал и преобразует его в поворот руля. Датчики, это измерительная система, определяющая фактический курс. Ошибки датчиков будут шумом измерения, ну а внешнее возмущение. Это морское волнение и ветер, отклоняющие корабль от заданного курса. Информация в системе управления как бы ходит по замкнутому кругу. Регулятор выдает управляющий сигнал на исполнительный механизм, который. Воздействует непосредственно на объект управления, затем информация об объекте через датчики возвращается обратно к регулятору, и все начинается заново. В этом случае говорят, что в системе присутствует обратная. Связь, то есть регулятор, использует информацию о состоянии объекта для выработки сигнала управления системы. С обратной связью называют замкнутыми, поскольку информация передается по замкнутому контуру.

7:29 Так все таки по какому принципу работает регулятор? Регулятор сравнивает задающий сигнал или еще можно сказать уставка или желаемое значение сигналами обратной связи от датчиков и определяет рассогласование, то есть. Ошибку управления разницу между заданным и фактическим значением. Если оно равно, 0 то никакого управления не требуется. Если же разница есть, регулятор выдает управляющий сигнал, который стремится свести рассогласование к 0.

8:01 Такая схема показывает управление по ошибке или, если сказать по другому управление по отклонению. Это значит, что для того, чтобы регулятор начал действовать, нужно, чтобы управляемая величина отклонилась от заданного. Значения блок, обозначенный знаком, неравно находит рассогласование в простейшем случае в нем из заданного значения. Вычитается сигнал обратной связи или другими словами, из заданного вычитается измеренное значение?

8:27 Возникает вопрос, можно ли управлять объектом так, чтобы не было ошибки в реальных системах? Это невозможно, прежде всего, из за внешних воздействий и шумов, которые. Заранее неизвестны, кроме того, объекты управления обладают инерциемностью, то есть могут мгновенно перейти из 1 состояния в другое возможности регулятора и. Исполнительных механизмов, то есть мощность сигнала управления всегда ограничены, поэтому быстродействие системы управления или другими словами, скорость перехода. На новый режим также ограничена, например, при управлении кораблем. Угол перекладки руля обычно не превышает 30:35 одни, это ограничивает скорость изменения курса.

9:11 Итак, мы рассмотрели вариант, когда обратная связь используется для того, чтобы уменьшить разницу между заданным и фактическим состоянием объекта. Управления такая обратная связь называется отрицательной, потому что сигнал обратной связи вычитается из задающего сигнала, а может ли быть наоборот? Оказывается, может, в этом случае обратная связь называется положительной. В этом случае она увеличивает рассогласование, то есть стремится раскачать. Систему на практике положительная обратная связь применяется, например, в генераторах для поддержания незатухающих электрических колебаний.

10:01 А можно ли управлять без использования обратной связи? В принципе можно в этом случае регулятор не будет получать никакой информации о реальном состоянии объекта. Поэтому, должно быть, точно известно, как этот объект себя ведет только тогда. Можно заранее рассчитать, как им можно управлять, построить нужную программу управления. Однако при этом нельзя гарантировать, что задание будет выполнено. Такие системы называют системами программного управления или разомкнутыми системами, поскольку. Информация передается не по замкнутому контуру, а только в 1 направлении. Вот, к примеру, слепой и глухой водитель тоже может вести машину, правда, только некоторое время. Пока он помнит дорогу и сможет правильно рассчитать свое место, пока на пути не встретятся пешеходы или другие машины, о которых он заранее не может знать из этого. Простого примера ясно, что без обратной связи, то есть информации с датчиков невозможно учесть влияние неизвестных факторов на полноту наших знаний, несмотря на. Эти недостатки, разомкнутые системы, применяются на практике, например, информационное табло на вокзале или простейшая система управления двигателем, который не требуется. Очень точно поддерживать частоту вращения, однако с точки зрения теории управления разомкнутые системы мало интересны, и мы не будем больше про них вспоминать.

11:33 Теперь давайте поговорим о системах управления поподробнее и так классификация систем управления. Так какие же бывают системы управления системы управления, бывают автоматические? То есть системы, работающие без участия человека, есть еще системы автоматизированные? В которых рутинные процессы, такие как сбор и анализ информации, выполняет компьютер, но управляет всей системой человек оператор, который и принимает решения.

12:14 Здесь мы с вами будем изучать только автоматические системы.

12:38 Автоматические системы управления применяются для решения 3 типов задач, 1 тип стабилизации, 2 программное управление. И наконец, 3 тип это слежение за неизвестным задающим сигналом. В этом видео мы с вами говорим о теории автоматического управления самым простым и надеюсь понятным языком, так что все определения, встречающиеся здесь, написано как можно проще и доступнее. Для понимания и так стабилизация, стабилизация, это поддержание заданного режима работы, который не меняется длительное время. В этом случае задающий сигнал постоянен, а часто равен 0. Системам стабилизации относится, например, авторулевые на корабля, обеспечивающие поддержание заданного курса или системы регулирования частоты вращения турбины, программное управление, это. Управление по заранее известной программе здесь задающий сигнал меняется, но заранее здесь система программного управления широко используются в бытовой технике, например, в стиральных машинах.

13:44 Ну и наконец слежение за неизвестным, задающим сигналом в следящих системах. Изменения задающего сигнала происходят по случайному закону, заданному. Тем или иным способом следящие системы это различные системы телеуправления самонаведения, автопилоты и целеуказатели курсов летательных аппаратов.

14:15 По количеству входов и выходов система управления делится на одномерные, то есть системы, у которых 1 вход и 1 выход. Они рассматриваются в так называемой классической теории. Управления и многомерные системы это системы, имеющие соответственно несколько входов или выходов. Данные системы являются главным предметом изучения современной теории управления В.

14:42 Так называемом курсе для чайников мы будем изучать только одномерные системы, где и объект, и регулятор имеют 1 входной и 1 выходной. Сигнал, например, при управлении курсом корабля можно считать, что есть 1 управляющее воздействие поворот руля и 1 регулируемая величина.

15:04 Однако в самом деле это не совсем верно. Дело в том, что при изменении курса меняется также крен и дифферент корабля в одномерной модели. Мы пренебрегаем этими изменениями, хотя они могут быть очень. Существенным, например, при резком повороте Крен может достигнуть недопустимого значения. С другой стороны, для управления можно использовать не только руль, но и различные подруливающие устройства. Стабилизаторы качки и тому подобное, то есть объект имеет несколько входов. Таким образом, реальная система управления курсом корабля является многомерной исследование многомерных систем достаточно. Сложная задача и выходит за рамки нашего курса. Иногда в инженерных расчетах стараются упрощенно представить многомерную систему как несколько одномерных и довольно часто такой метод приводит к успеху.

15:57 По характеру сигналов системы управления могут быть непрерывными или как еще их называют аналоговыми, то есть системы, в которых все сигналы. Это функции непрерывного времени, определенные на некотором. Интервалале дискретными, в которых используются дискретные сигналы, определенные только в отдельные моменты времени, а также непрерывно дискретными, которых есть как непрерывные, так и дискретные сигналы.

16:23 Непрерывные или, как мы уже говорили, аналоговые системы обычно описываются дифференциальными уравнениями. Это все системы управления движением, в которых нет компьютеров и других элементов дискретного действия микропроцессоров, логических интегральных схем. А вот как раз микропроцессоры и компьютеры, это дискретные системы, поскольку в них вся информация хранится и обрабатывается в дискретной форме. Компьютер не может обрабатывать непрерывные сигналы, поскольку работает. Только с последовательностями чисел примеры дискретных систем можно найти в экономике. К примеру, период отсчета квартал или год, или, скажем, в биологии модель Хищник. Жертва для их описания применяют разностные уравнения.

17:13 Существуют также и гибридные, то есть непрерывно дискретные системы, например компьютерные системы управления движущимися объектами, кораблями, самолетами, автомобилями и другие. В них часть элементов описывается дифференциальными. Уравнениями, а часть разностными с точки зрения математики это создает большие сложности для их исследования. Поэтому во многих случаях непрерывно дискретные системы сводят к упрощенным, чисто непрерывным или чисто дискретным моделям.

17:48 Для управления очень важен вопрос о том, изменяются ли характеристики объекта со временем системы, которых все параметры остаются постоянными, называются стационарными, что. Значит, не изменяющиеся во времени в нашем курсе? Для чайников мы будем рассматривать только стационарные системы практических задачах. Часто дело обстоит не так радужно. Например, летящая ракета расходует топливо и за счет этого ее массы изменяется таким образом ракета. Это нестационарный объект системы, в которых параметры объекты или. Регуляторы изменяются со временем, называются нестационарными, хотя теория нестационарных систем существует и даже написана в Формуле применить ее на практике не так просто.

18:33 Говоря о системах управления, может возникнуть вопрос определенность или случайность. Самый простой вариант считать, что все параметры объекта. Определены точно так же, как и внешнее воздействие. В этом случае мы говорим о детерминированных системах, которые рассматриваются в классической. Теории управления, тем не менее, в реальных задачах точных данных у нас нет. Прежде всего это относится к внешним воздействиям, например, для. Исследования качки корабля на 1 этапе можно считать, что волна имеет форму Синуса, известной амплитуды и частоты, это детерминированная модель.

19:11 Так ли это на практике, естественно, нет? С помощью такого подхода можно получить только приближенные результаты по современным представлениям. Морская волна приближенно описывается как сумму синусоид, которые. Имеют случайные, то есть неизвестные заранее частоту амплитуду и фазы, помехи, шум измерений. Это тоже случайные сигналы с системой, в которых действуют случайные возмущения или параметры объектов, которых. Могут изменяться случайным образом, называются стохастическими или вероятностными. Теория стохастических систем позволяет получать только вероятностные результаты. Например, нельзя гарантировать, что отклонение. Корабля от курса всегда будет составлять не более 2% и можно попытаться обеспечить такое отклонение с некоторой вероятностью. Вероятность 99-ты означает, что требование будет выполнено в 99 случаях из 100.

20:11 Ну что еще сказать, давайте несколько слов об оптимальных системах. Часто требования к системе управления нужно сформулировать в виде задачи. Оптимизации в оптимальных системах регулятор строится так, чтобы обеспечить минимум или максимум какого то критерия качества о критериях. Качества мы более подробно поговорим в 1 из последующих занятий. Нужно помнить, что выражение оптимальная система не означает, что она. Действительно, идеальная все определяется принятым критерием. Если он выбран удачно, система получится хорошая, но а если нет, то наоборот.

20:49 В завершении нашего вводного занятия скажу несколько слов об особых классах систем управления. Если параметры объекта или возмущения известны не точной или могут. Изменяться со временем, а как мы помним, это происходит в нестационарных системах, то в таких случаях применяют адаптивные или самонастраивающиеся регуляторы, в которых закон. Управления меняется при изменении условий в простейшем случае, когда есть несколько заранее известных режимов работы, происходит простое переключение между несколькими. Законами управления часто в адаптивных системах регулятор оценивает параметры объекта в реальном времени и, соответственно, изменяет закон управления по заданному правилу.

21:32 Самонастраивающаяся система, которая пытается настроить регулятор так, чтобы найти максимум или минимум какого то критерия качества называется экстремальный название, происходит от слова экстремум. Обозначающего максимум или минимум во многих современных бытовых устройствах. Например, в стиральных машинах используются нечеткие регуляторы, построенные на принципах нечеткой логики, этот подход. Позволяет формализовать человеческий способ принятия решения. Если корабль ушел сильно вправо, руль нужно сильно переложить влево 1 из популярных направлений в современной теории является применение. достижений искусственного интеллекта для управления техническими системами регулятор строится или только настраивается на основе нейронной сети, которую предварительно обучает человек эксперт.

22:24 Итак, для 1 разговора Аттал, я думаю, достаточно подведем итоги в этом занятии. Я постарался донести до вас как можно более понятным языком основные принципы управления. Некоторые определения мы и тому подобное для более детального изучения дисциплины. Читайте учебник Ерофеева, как вы, наверное, заметили, в этом занятии не было ни форму, ни. Передаточных функций и других им подобных вещей. Так вот, могу вас успокоить, все будет в последующих занятиях. Если, конечно, вы, уважаемый зритель, сочтешь это занятие. Достойным продолжением, а на следующем занятии я хотел бы поговорить о математических моделях. Ну, все спасибо за внимание, подписывайтесь на наш канал, пишите комментарии.

Расшифровка сделана автоматически (Yandex SpeechKit) и может содержать ошибки в терминах.