Автоматика - это наука и техника, изучающая и применяющая законы, методы и средства управления различными объектами и процессами. Автоматика позволяет создавать системы, способные выполнять заданные функции без постоянного вмешательства человека или с минимальным его участием. В этой небольшой статье мы рассмотрим основные понятия и принципы, связанные с автоматикой, чтобы создать базовое понимание предмета.
Автоматика включает широкий спектр терминов и понятий, которые необходимы для понимания и разработки автоматических систем контроля, управления и управления. Эти системы обеспечивают автоматизацию процессов в самых разных областях, от производства и энергетики до бытовой техники и транспорта. Знание основных терминов и их взаимосвязей позволяет эффективно проектировать, анализировать и улучшать автоматические системы, что способствует повышению эффективности и безопасности различных процессов.
Основные понятия автоматики:
- Автоматика - это область науки и техники, которая занимается исследованием, разработкой и применением автоматических систем управления, а также их элементов и принципов действия.
- Цель автоматики - создание таких систем, которые способны выполнять заданные функции управления, регулирования и контроля без непосредственного участия человека.
Автоматика включает в себя такие области, как робототехника, автоматизация производства, автоматическое управление, автоматическое моделирование и другие. Автоматика применяется в различных сферах жизни и деятельности человека, таких как промышленность, транспорт, медицина, образование, развлечения и т.д.
Автоматические системы и их элементы нашли широкое применение в самых различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, транспорта и в бытовой сфере. Они обеспечивают повышение производительности, улучшение качества продукции, снижение трудозатрат и повышение безопасности.
- Автоматическая система - это система, способная выполнять заданные действия без непосредственного участия человека или с минимальным его вмешательством. Примерами автоматических систем могут быть роботы, автопилоты, термостаты, светофоры и т.д.
Более развернутое определение: Автоматическая система - совокупность технических средств и программных компонентов, предназначенных для выполнения определённых функций управления без участия человека. Автоматическая система включает в себя датчики, управляющие устройства, исполнительные механизмы и устройства отображения информации.
- Техпроцесс (технологический процесс) - совокупность действий и операций, направленных на изменение состояния, формы, состава или структуры материалов, компонентов или продуктов с целью получения готовой продукции. В автоматике техпроцесс часто управляется с помощью автоматических систем управления.
- Объект управления - это любой физический или абстрактный объект, который подвергается воздействию управляющего воздействия с целью изменения его состояния или поведения. Объект управления может быть физическим (например, двигатель, котел, химический реактор) или абстрактным (например, математическая модель, алгоритм, программа).
- Управляющее воздействие - это действие, направленное на изменение состояния или поведения объекта управления. Управляющее воздействие может быть непосредственным или опосредованным, непрерывным или дискретным, детерминированным или стохастическим. Например, управляющим воздействием может быть подача электрического сигнала, изменение положения рычага, выдача команды и т.д.
- Управляющий сигнал - это сигнал, который поступает на вход объекта управления и определяет его поведение. Управляющий сигнал может быть непрерывным (например, напряжение, ток, давление) или дискретным (например, импульс, код, команда).
- Управление - это процесс формирования и реализации управляющего воздействия на объект управления с целью достижения заданной цели или задачи. Управление может быть автоматическим или ручным, централизованным или децентрализованным, адаптивным или неадаптивным. Например, управление может быть осуществлено с помощью программы, контроллера, оператора и т.д.
- Устройство управления - это часть автоматической системы, которая формирует управляющий сигнал на основе информации о состоянии объекта управления и заданного режима работы. Устройство управления может быть аналоговым (например, реле, регулятор, контроллер) или цифровым (например, микропроцессор, компьютер, программируемый логический контроллер).
- Система управления - это совокупность элементов, связанных между собой и образующих единое целое, которое осуществляет управление объектом управления. Система управления состоит из трех основных частей: исполнительного устройства, регулятора и датчика.
- Параметры системы - характеристики или величины, описывающие состояние системы. Параметры могут быть разделены на входные (управляющие воздействия), выходные (реакция системы), промежуточные и вспомогательные.
- Технические средства автоматизации - комплекс устройств, включающих в себя датчики, контроллеры, исполнительные механизмы, вычислительные машины и другие элементы, предназначенные для выполнения задач управления и регулирования.
- Датчик - это элемент системы управления, который измеряет значение параметра объекта управления и преобразует его в сигнал, подходящий для передачи и обработки. Датчик может быть активным или пассивным, непрерывным или дискретным, линейным или нелинейным. Например, датчиком может быть термопара, потенциометр, фотодиод и т.д.
- Исполнительное устройство - это элемент системы управления, который непосредственно воздействует на объект управления. Исполнительное устройство может быть электрическим, механическим, гидравлическим, пневматическим и т.д. Например, исполнительным устройством может быть электродвигатель, клапан, сервопривод и т.д.
- Автоматическая система контроля - это система, которая обеспечивает проведение контроля без непосредственного участия человека. Она включает в себя средства контроля, такие как измерение, регистрация и анализ данных.
- Автоматическая система регулирования - система которая поддерживают заданные параметры (например, температура, давление, скорость и т.д.) на определенном уровне.
- Регулирование - процесс поддержания определённых параметров системы на заданном уровне или в заданных пределах. Регулирование может осуществляться как в автоматическом, так и в ручном режиме.
- Регулируемая величина - параметр системы, который требуется поддерживать на определённом уровне с помощью регулирования. Это может быть температура, давление, скорость, уровень жидкости и т.д.
- Воздействие на систему - любое внешнее или внутреннее действие, которое изменяет состояние системы. Воздействие может быть управляющим (направленным на достижение цели управления) или возмущающим (препятствующим достижению цели).
- Регулятор - это элемент системы управления, который формирует управляющее воздействие на основе заданного значения (задания) и измеренного значения (выхода) параметра объекта управления. Регулятор может быть логическим, аналоговым, цифровым и т.д. Например, регулятором может быть реле, операционный усилитель, микроконтроллер и т.д.
- Контур управления - замкнутая цепь взаимодействия элементов системы управления, включающая в себя датчики, контроллеры, исполнительные механизмы и сам объект управления. Контур управления позволяет обеспечить обратную связь в системе и повысить её устойчивость.
- Обратная связь - механизм, при котором информация о текущем состоянии системы возвращается на вход для коррекции управляющего воздействия. Обратная связь может быть отрицательной (стабилизирующей систему) или положительной (усиливающей отклонения).
- Программируемый логический контроллер (ПЛК) - это цифровая электронная система, которая используется для автоматизации технологических процессов в производственной среде. ПЛК имеет программируемую память, в которой хранятся инструкции по управлению различными видами машин или процессов. ПЛК работает в режиме реального времени, опрашивая входы, выполняя пользовательскую программу и устанавливая выходы.
- Измерительный канал - это часть автоматической системы, которая передает информацию о состоянии объекта управления от датчиков к устройству управления. Измерительный канал может быть электрическим (например, проводной, беспроводной) или неэлектрическим (например, оптическим, механическим).
- Воздействующий канал - это часть автоматической системы, которая передает управляющий сигнал от устройства управления к исполнительным элементам объекта управления. Воздействующий канал может быть электрическим (например, проводной, беспроводной) или неэлектрическим (например, гидравлическим, пневматическим).
- Статическая система - система, в которой выходное значение параметра зависит только от текущего входного воздействия и не изменяется во времени, если входное воздействие остаётся постоянным.
- Динамическая система - система, в которой выходное значение параметра зависит не только от текущего входного воздействия, но и от предыдущих состояний системы. В динамической системе существует временная зависимость между входом и выходом.
- Астатическая система - вид системы, в которой выходная величина может изменяться до бесконечности при постоянном входном воздействии. Такие системы обладают свойством астатизма, что означает отсутствие конечного установившегося значения при нулевом входе.
- Системы непрерывного действия - системы, в которых сигнал управления изменяется непрерывно во времени. Примером являются системы с аналоговыми сигналами.
- Системы дискретного действия - системы, в которых сигнал управления изменяется только в определённые моменты времени (дискретно). Примером являются цифровые системы, где сигналы представлены в виде последовательности импульсов.
- Релейная система - система, в которой управляющее воздействие осуществляется путём переключения между несколькими фиксированными состояниями (например, включение и выключение). Такие системы часто используются для простого управления, например, для включения и выключения света.
- Импульсная система - система управления, использующая последовательность импульсов для передачи сигнала. Примером являются системы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), применяемые для управления скоростью двигателей.
- Квантование - процесс преобразования непрерывного сигнала в дискретный, который используется в цифровых системах управления. Квантование может осуществляться по времени (дискретизация) и по уровню (амплитудное квантование).
- Стабилизация - это свойство объекта или системы сохранять свое состояние при малых отклонениях от равновесия. Стабилизация может быть статической или динамической, абсолютной или относительной, локальной или глобальной.
- Оптимизация - это процесс поиска наилучшего решения задачи управления с учетом ограничений и критериев качества. Оптимизация может быть аналитической или численной, однокритериальной или многокритериальной, детерминированной или стохастической.
- Адаптация - это способность объекта или системы изменять свою структуру или параметры в соответствии с изменяющимися условиями окружения. Адаптация может быть пассивной или активной, заранее заданной или самоорганизующейся.
- Автоматическая система защиты - система, которая обеспечивает безопасность работы оборудования и предотвращает аварийные ситуации.
Автоматические устройства и системы способны самостоятельно выполнять определенные функции или задачи по заранее заданному алгоритму или программе. Они могут быть разделены на несколько типов по различным признакам, таким как степень автономности, сложность, назначение, принцип работы и т.д. Например, по степени автономности можно выделить следующие типы автоматических устройств и систем:
- Полностью автоматические устройства и системы - это такие устройства и системы, которые не требуют никакого вмешательства человека в процесс своей работы. Они полностью самостоятельно реагируют на изменения внешних условий и принимают решения о своих действиях. Примерами таких устройств и систем могут быть автопилоты, автомобили с функцией самостоятельного вождения, беспилотные летательные аппараты и т.д.
- Полуавтоматические устройства и системы (автоматизированные устройства и системы) - в отличие от автоматических, они требуют некоторого вмешательства человека в процесс своей работы. Они выполняют часть функций или задач самостоятельно, но при этом подчиняются командам или указаниям человека. Примерами таких устройств и систем могут быть стиральные машины, кондиционеры, кассовые аппараты и т.д.
Основные принципы автоматики:
- Принцип обратной связи - это принцип, согласно которому часть выходного сигнала системы управления возвращается на вход системы управления и сравнивается с заданным сигналом. Обратная связь позволяет корректировать управляющее воздействие в зависимости от изменения состояния или поведения объекта управления. Обратная связь может быть положительной или отрицательной, непрерывной или дискретной, линейной или нелинейной. Например, обратной связью может быть температура в помещении, скорость автомобиля, положение робота и т.д.
- Принцип модульности - это принцип, согласно которому сложная система управления может быть разбита на более простые подсистемы управления, которые выполняют определенные функции и взаимодействуют друг с другом. Модульность позволяет упростить проектирование, анализ, синтез и оптимизацию системы управления. Модульность может быть функциональной или структурной, статической или динамической, иерархической или плоской. Например, модульность может быть реализована с помощью блок-схемы, графа, матрицы и т.д.
- Принцип адаптивности - это принцип, согласно которому система управления способна изменять свои параметры или структуру в зависимости от изменения внешних условий или требований к качеству управления. Адаптивность позволяет повысить эффективность и надежность системы управления. Адаптивность может быть активной или пассивной, параметрической или структурной, непрерывной или дискретной. Например, адаптивность может быть реализована с помощью самонастройки, самоорганизации, самообучения и т.д.
- Принцип целенаправленности - это принцип, согласно которому процесс управления должен быть направлен на достижение определенной цели или задачи. Цель может быть задана заранее или формироваться в ходе процесса управления.
- Принцип оптимальности - это принцип, согласно которому процесс управления должен быть организован таким образом, чтобы минимизировать затраты ресурсов (времени, энергии, материалов и т.д.) при достижении заданной цели или максимизировать эффективность использования ресурсов при заданных ограничениях.
- Принцип иерархичности - процесс управления может быть разделен на несколько уровней, каждый из которых имеет свою цель, задачи, устройства и сигналы управления. Иерархичность позволяет упростить структуру и функционирование системы управления, повысить надежность и гибкость процесса управления.
- Принцип интеграции - процесс управления может быть реализован с использованием различных методов, технологий и средств, которые должны быть согласованы и взаимодействовать друг с другом. Интеграция позволяет расширить возможности и функциональность системы управления, повысить ее эффективность и качество.
Автоматика - это очень интересная и полезная наука и техника, которая имеет множество приложений в различных областях жизни. Надеюсь, что эта статья помогла вам создать базовое понимание основных понятий и принципов автоматики.
Смотрите дальше: Значение автоматизации и автоматизированных систем управления
Андрей Повный