Основы автоматики

Давайте поговорим об автоматике в контексте домашнего применения. Но только мы отойдем от темы распространенных домашних приборов, которыми забиты полки супермаркетов техники и разовьем идею нестандартной автоматики, которую не купить в магазине. 

Итак что же такое любительская автоматика для дома в моем понимании? Для меня это всевозможные механические и электронные средства, собранные самостоятельно и предназначенные для удобства жизни людей или животных, растений. Под удобством нужно понимать: экономию времени, нервов, потребления ресурсов, защиту жизни, здоровья и имущества. 

С древних времен человек хотел использовать предметы и силы природы в своих целях, то есть управлять ими. Управлять можно неодушевленными предметами (например, перекатывая камень на другое место), животными (дрессировка), людьми (начальник – подчиненный).

Множество задач управления в современном мире связано с техническими системами – автомобилями, кораблями, самолетами, станками. Например, нужно поддерживать заданный курс корабля, высоту самолета, частоту вращения двигателя, температуру в холодильнике или в печи. Если эти задачи решаются без участия человека, говорят об автоматическом управлении.

Из чего состоит система управления?

В задачах управления всегда есть два объекта – управляемый и управляющий. Управляемый объект обычно называют объектом управления или просто объектом, а управляющий объект – регулятором. Например, при управлении частотой вращения объект управления – это двигатель (электромотор, турбина); в задаче стабилизации курса корабля – корабль, погруженный в воду; в задаче поддержания уровня громкости – динамик.

Регуляторы могут быть построены на разных принципах. Самый знаменитый из первых механических регуляторов – центробежный регулятор Уатта 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.

Регулятор температуры в холодильнике или термостате – это электронная схема, которая включает режим охлаждения (или нагрева), если температура становится выше (или ниже) заданной.

Во многих современных системах регуляторы – это микропроцессорные устройства, компьютеры. Они успешно управляют самолетами и космическими кораблями без участия человека. Современный автомобиль буквально «напичкан» управляющей электроникой, вплоть до бортовых компьютеров.

Обычно регулятор действует на объект управления не прямо, а через исполнительные механизмы (приводы), 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. С помощью датчиков чаще всего измеряются те характеристики объекта, которыми нужно управлять. Кроме того, качество управления можно улучшить, если получать дополнительную информацию – измерять внутренние свойства объекта.

Структура системы

Итак, в типичную систему управления входят объект, регулятор, 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 (пневматические системы), жидкость (гидравлические системы), компьютерные сети.

Взаимосвязанные элементы – это уже система, которая обладает (за счет связей) особыми свойствами, которых нет у отдельных элементов и любой их комбинации.

Основная интрига управления связана с тем, что на объект действует окружающая среда – внешние возмущения, которые «мешают» регулятору выполнять поставленную задачу. Большинство возмущений заранее непредсказуемы, то есть носят случайный характер. Кроме того, датчики измеряют параметры не точно, а с некоторой ошибкой, пусть и малой. В этом случае говорят о «шумах измерений» по аналогии с шумами в радиотехнике, которые искажают сигналы.

Подводя итого, можно нарисовать структурную схему системы управления так:


Например, в системе управления курсом корабля

  • объект управления – это сам корабль, находящийся в воде; для управления его курсом используется руль, изменяющий направление потока воды;
  • регулятор – цифровая вычислительная машина;
  • привод – рулевое устройство, которое усиливает управляющий электрический сигнал и преобразует его в поворот руля;
  • датчики – измерительная система, определяющая фактический курс;
  • внешние возмущения – это морское волнение и ветер, отклоняющие корабль от заданного курса;
  • шумы измерений – это ошибки датчиков.
Информация в системе управления как бы «ходит по кругу»: регулятор выдает сигнал управления на привод, который воздействует непосредственно на объект; затем информация об объекте через датчики возвращается обратно к регулятору и все начинается заново. Говорят, что в системе есть обратная связь, то есть регулятор использует информацию о состоянии объекта для выработки управления. Системы с обратной связью называют замкнутыми, поскольку информация передается по замкнутому контуру.
Как работает регулятор?
Регулятор сравнивает задающий сигнал («задание», «уставку», «желаемое значение») с сигналами обратной связи от датчиков и определяет рассогласование (ошибку управления) – разницу между заданным и фактическим состоянием. Если оно равно нулю, никакого управления не требуется. Если разница есть, регулятор выдает управляющий сигнал, который стремится свести рассогласование к нулю. Поэтому схему регулятора во многих случаях можно нарисовать так:
Такая схема показывает управление по ошибке (или по отклонению). Это значит, что для того, чтобы регулятор начал действовать, нужно, чтобы управляемая величина отклонилась от заданного значения. Блок, обозначенный знаком ≠ , находит рассогласование. В простейшем случае в нем из заданного значения вычитается сигнал обратной связи (измеренное значение).
Можно ли управлять объектом так, чтобы не было ошибки? В реальных системах – нет. Прежде всего, из-за внешних воздействий и шумов, которые заранее неизвестны. Кроме того, объекты управления обладают инерционностью, то есть, не могут мгновенно перейти из одного состояния в другое. Возможности регулятора и приводов (то есть мощность сигнала управления) всегда ограничены, поэтому быстродействие системы управления (скорость перехода на новый режим) также ограничена. Например, при управлении кораблем угол перекладки руля обычно не превышает 30 − 35° , это ограничивает скорость изменения курса.
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. Может ли быть наоборот? Оказывается, да. В этом случае обратная связь называется положительной, она увеличивает рассогласование, то есть, стремится «раскачать» систему. На практике положительная обратная связь применяется, например, в генераторах для поддержания незатухающих электрических колебаний.

    Написать отзыв

    Примечание: HTML разметка не поддерживается! Используйте обычный текст.
        Плохо           Хорошо

    Новое

    Джойстик шилд для Arduino UNO MEGA

    Джойстик шилд для Arduino UNO MEGA

    Шилд джойстика для контроллеров Arduino UNO и MEGAМожно использовать для самодельных игр, а так же д..

    Светодиодная матрица 8х8 с управляющим контроллером MAX7219

    Светодиодная матрица 8х8 с управляющим контроллером MAX7219

    Готовый блок светодиодной матрицы 8х8 с поддержкой каскадного включения нескольких идентичных модуле..

    Динамик 30х40 мм 3 Вт 4 Ом

    Динамик 30х40 мм 3 Вт 4 Ом

    Миниатюрный легкий широкополосный динамик для компактных электронных устройствМаксимальная мощность ..

    Гироскоп GY-50

    Гироскоп GY-50

    Цифровой инерциальный трёхосевой гироскоп GY-50 на MEMS микросхеме L3G4200D.Используе..

    Вентилятор 12В 60мм

    Вентилятор 12В 60мм

    Вентилятор системы охлаждения греющихся элементов электронной конструкции.Используется для обдува ра..

    Вентилятор 12В 40мм

    Вентилятор 12В 40мм

    Вентилятор системы охлаждения греющихся элементов электронной конструкции.Используется для обдува ра..

    Шилд CNC для Arduino UNO

    Шилд CNC для Arduino UNO

    Шилд для платы контроллера Arduino UNO  для управления CNC-станком или 3D-принтером.4 разъема п..

    Гайка Т8 с креплением

    Гайка Т8 с креплением

    Гайка с трапецеидальной трёхзаходной резьбой и отверстиями под крепление.Применяется в 3D-принтерах ..