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 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.
Основные понятия автоматики:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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).
- 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.
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.
В заключение хочу сказать, что 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