Основи автоматики

Давайте поговоримо про автоматику в контексті домашнього застосування. Але тільки ми відійдемо від теми розповсюджених домашніх приладів, якими забиті полки супермаркетів техніки та розвинемо ідею нестандартної автоматики, котру не купити в магазині. 

Отже що ж таке любительська автоматика для дому в моєму розумінні? Для мене це різноманітні механічні та електронні засоби, зібрані самостійно та призначені для зручності життя людей або тварин, рослин. Під зручністю потрібно розуміти: економію часу, нервів, споживання ресурсів, захисту життя, здоров'я та власності. 

З древніх часів людина хотіла використовувати речі та сили природи в своїх цілях, тобто керувати ними. Керувати можна неживими речами (наприклад, перекочуючи камінь на інше місце), тваринами (дресування), людьми (керівник – підлеглий).

Багато задач керування в сучасному світі пов'язано з технічними системами – автомобілями, кораблями, літаками, станками. Наприклад, потрібно підтримувати заданий курс корабля, висоту літака, частоту обертів двигуна, температуру в холодильнику або в печі. Якщо ці задачі вирішуються без участі людини, кажуть про автоматичне керування.

З чого складається система керування?

В задачах управління завжди є два об'єкти – керований та керуючий. Керований об'єкт зазвичай називають об'єктом управління або просто об'єктом, а керуючий об'єкт – регулятором. Наприклад, при управлінні частотою обертання об'єкт управління – це двигун (електромотор, турбіна); в задачі стабілізації курсу корабля – корабель, опущений у воду; в задачі підтримання рівня гучності – динамік.

Регулятори можуть бути побудовані на різних принципах. Самий відомий з перших механічних регуляторів – відцентровий регулятор Уата для стабілізації частоти обертів парової турбіні. Коли частота обертів збільшується, шарики розходяться із-за збільшення відцентрової сили. При цьому через систему важелів трохи зачиняється заслінка, зменшуючи потік пари на турбіну.

Регулятор температури в холодильнику або термостаті – це електронна схема, яка включає режим охолодження (або нагріву), якщо температура становиться вище (або нижче) заданої.

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.