Содержание

ПРЕДИСЛОВие

Дисциплина «Теория автоматического управления (ТАУ)», входящая в блок нормативных учебных дисциплин образовательно-профессиональной программы подготовки бакалавров по направлению 0925 – «Автоматизация и компьютерно-интегрированные технологии», является теоретической базой для анализа и синтеза АСУ. За последние три десятилетия издано большое количество учебников и монографий по ТАУ. Все они отличаются большим объемом и не учитывают того обстоятельства, что учебный план отводит студентам весьма ограниченное время на изучение этой дисциплины. Не отрицая необходимости изучения этих объемных и глубоких книг, авторы считают, что наряду с ними студентам было бы удобно и полезно иметь компактные учебные пособия, в которых в сжатой, но не упрощенной, форме без громоздких строгих выводов излагались бы основные положения ТАУ. Такие пособия могли бы сориентировать студентов в сложном и разнообразном материале дисциплины и стать той площадкой, с которой они могли бы более уверенно пускаться в штудирование более подробных учебников. Собственно говоря, именно так и строится лекционный курс по ТАУ в технических вузах.

Весь учебный материал «Теории автоматического управления» разбит на 13 разделов, представляющих собой логически, методически и организационно завершенные модули.

Первый модуль вводит общие понятия и принципов построения систем автоматического управления и регулирования. В следующих четырех рассматриваются статические и динамические характеристики линейных непрерывных АСУ, методы их анализа и синтеза. Материал этих первых пяти модулей и охватывает настоящее пособие, которое состоит из двух частей. Следует сказать, что в нём не излагаются некоторые методы анализа и синтеза линейных систем, традиционно присутствующие в учебниках по ТАУ, но утратившие в настоящее время актуальность: например, построение переходных процессов по трапецеидальным вещественным частотным характеристикам, метод корневого годографа и др.

Естественным дополнением данного пособия являются [Методические указания к выполнению практических работ по линейным АСУ / Сост.: Г.С. Щербина, О.Е. Потап, А.П. Егоров. – Днепропетровск: ГИПОмет, 2003. – 56 с.], в которых предложены варианты практических заданий и описана методика учебного компьютерного моделирования линейных АСУ и их элементов.

В целом предлагаемый комплект пособий включает следующие изданные и запланированные к изданию учебные пособия, обеспечивающие остальные модули дисциплины:

- ТАУ. Линейные непрерывные АСУ. Часть ІІ / Г.С. Щербина, А.П. Егоров, О.Е. Потап, С.В. Бейцун. – Днепропетровск: НМетАУ, 2007. – 56 с. (модули 4,5);

- Импульсные и цифровые АСУ (модуль 6);

- Щербина Г.С., Потап О.Е., Бейцун С.В. ТАУ. Нелинейные АСУ. – Днепропетровск: НМетАУ, 2007. – 72 с. (модуль 7);

- Статистическая динамика АСУ (модуль 8);

- Адаптивные АСУ (модуль 9);

- Кирсанов В.В., Щербина Г.С., Егоров А.П. Оптимальные системы управления. Часть І. – Днепропетровск: НМетАУ, 2005. – 85 с. (модули 10, 11);

- Оптимальные системы управления. Часть ІІ. / В.В. Кирсанов, А.П. Егоров, Г.С. Щербина и др. – Днепропетровск: НМетАУ, 2007. – 106 с. (модуль 12);

- Кирсанов В.В., Егоров А.П., Щербина Г.С. Оптимальные системы управления: Конспект лекций и методические указания к выполнению практических занятий. – Днепропетровск: ГИПОпром, 2004. – 69с. (модули 10, 11, 12);

- Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Теория автоматического управления» для студентов напрвления подготовки 0925 / Сост.: Г.С. Щербина, А.П. Егоров, О.Е. Потап и др. – Днепропетровск: НМетАУ, 2002. – 24 с. (модуль 13).

Помимо указанных пособий кафедрой автоматизации производственных процессов НМетАУ в качестве пособия по выполнению индивидуальных заданий и контрольных работ подготовлен к изданию сборник задач по теории автоматического управления с примерами их решения.

Практикум по ТАУ предполагает использование современных пакетов прикладных программ для моделирования динамических систем на ПЭВМ.

Введение

Автоматизация – применение автоматических устройств для выполнения функции управления. При этом имеется в виду управление машинами, т.е. механизированными процессами.

Основными технико-экономическими преимуществами автоматизации являются:

- возможность управлять чрезвычайно быстро протекающими процессами, управление которыми вручную невозможно в силу физиологических особенностей человека;

- возможность управлять процессами с высокой точностью (гораздо большей, чем позволяют возможности человека);

- объективность управления (его независимость от индивидуальных качеств человека, его квалификации, физического и психического состояния);

- возможность управлять процессами и агрегатами большой мощности путём использования командных сигналов весьма малой мощности;

- возможность управлять процессами, осуществление которых при непосредственном участии человека невозможно из-за вредного влияния на здоровье;

- возможность осуществлять управление на расстоянии и, следовательно, централизация;

- возможность осуществления различного рода защит, блокировок, сигнализации, исключающих аварии, травматизм, нежелательные режимы работы.

Теория автоматического управления (ТАУ) входит в число основных дисциплин, образующих науку об управлении. Сложность современного производства, разнообразие машин, агрегатов и технологических процессов, особые условия, в которых они протекают, увеличение скоростей обработки материалов и повышение требований к качеству готовой продукции делают во многих случаях невозможным управление агрегатами без систем автоматизации, так как человек не в состоянии быстро и эффективно реагировать на множество факторов, влияющих на ход процессов.

Общим направлением комплексной автоматизации и механизации является создание автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) на основе применения широкой номенклатуры измерительных устройств мини – и микро-ЭВМ, интегрированного управления.

Вначале ТАУ изучала статику и динамику процессов управления техническими объектами. Затем её методами, выводами и результатами стали пользоваться также для изучения свойств систем не только технического характера, но и экономических, биологических и т.п.

Первые автоматы, т.е. машины, работающие без участия человека, были созданы очень давно. Ещё греческим ученым Героном Александрийским, жившим в I веке, описано около ста автоматов, известных в то время. Автоматы древности служили, как правило, развлекательным и религиозным целям.

Первые автоматические устройства промышленного назначения были разработаны в связи с появлением паровых машин. Изобретение первого в мире промышленного регулятора было осуществлено знаменитым русским механиком И.И. Ползуновым в 1765 году. Это был регулятор, автоматически поддерживающий уровень воды в котле паровой машины. Предложенный И.И. Ползуновым принцип регулирования по отклонению является одним из основных принципов построения различных систем. В первых автоматических устройствах применяли механические регуляторы, в которых для перемещения исполнительного органа использовалось усилие, развиваемое чувствительным элементом-устройством, воспринимающим изменение регулируемой величины. Такие регуляторы называются регуляторами прямого действия.

С увеличением мощности управляемых машин и агрегатов с помощью чувствительного элемента невозможно было перемещать исполнительный орган, так как развиваемое им усилие было уже недостаточным. Поэтому появились новые типы автоматов, чему способствовало развитие электротехники. В 1830г. Шиллинг изобрел электрическое реле, чем было положено начало создания релейных систем управления.

Во второй половине ХIХ века появились автоматические устройства, основанные на использовании электрической энергии. Одним из первых таких автоматов был электромагнитный регулятор скорости вращения паровой машины, разработанный русским ученым К.И. Константиновским, а В.И. Чиколевым и П.Н. Яблочковым были разработаны электрические регуляторы, позволившие автоматизировать процесс изготовления электрических дуговых ламп (70-е годы ХIХ века).

Теоретические основы построения автоматических регуляторов были разработаны русским ученым И.А. Вышнеградским и английским учёным Дж.К. Максвеллом. Для создания и развития математического аппарата, используемого в исследовании автоматических систем, много сделали выдающегося отечественные учёные А.М. Ляпунов, П.Л. Чебышев, Н.Е. Жуковский.

Длительное время работы по созданию автоматических систем в механике, теплотехнике, электротехнике и других областях техники велись независимо друг от друга, и только в 40-х годах 20-го столетия теория автоматического управления сформировалась в качестве самостоятельной научной дисциплины, изучающей методы анализа и синтеза систем автоматического управления в технике независимо от их физической природы.

В эти же годы возникла новая научная дисциплина – кибернетика. Слово «кибернетика» происходит от 2-х греческих слов: «кибер» (в переводе «над») и «наутис» (моряк), т.е. «кибернаутис» - старший над моряками. Греческий философ Платон использовал термин «кибернетика» для названия искусства управления обществом. В 1948г. американский учёный Н. Винер снова ввёл этот термин, определив кибернетику как науку об управлении и связи в живой и неживой природе.

Одно из основных положений кибернетики состоит в том, что управление – это процесс переработки информации. Методы кибернетики находят применение не только при исследовании процессов управления в неживой природе, но и в живых организмах и в обществе. Поэтому автоматику теперь рассматривают как раздел кибернетики, посвящённый изучению систем автоматического управления в технике (техническая кибернетика).

В настоящее время автоматические системы нашли широкое применение во всех областях деятельности человека – в промышленности, на транспорте, в связи, в научных исследованиях и др.

Хотя отдельные автоматические регуляторы появились достаточно давно, они оставались отдельными эпизодами и не отказали сколь – нибудь серьёзного влияния на формирование теории автоматического управления. Но уже на рубеже XVIII-XIX столетий произошло бурное развитие некоторых направлений в технике управления. Наряду с уже упоминавшимся регулятором И.И. Ползунова, в 1874г. англичанин Дж. Уатт получил патент на центробежный регулятор скорости паровой машины. В 1808г. Ж. Жаккар построил первое программное устройство управления ткацким станком от перфокарты, позволяющее воспроизводить узоры на коврах. Затем появились регуляторы с воздействием по производной (братья Сименсы), по нагрузке (Ж. Понселе), сервомоторы с жёсткой обратной связью (Л. Фарко), регуляторы с гибкой обратной связью (изодромные), импульсные регуляторы и др.

В 20-м веке большой вклад в развитие ТАУ внесли В.С. Кулебакин, Н.М. Крылов, Н.Н. Боголюбов, И.Н. Вознесенский, который особенно чётко сформулировал мысль о ТАУ как дисциплине общетехнического характера. Появились работы Х. Найквиста(1932) и А.В. Михайлова (1938) по анализу устойчивости автоматических систем управления (АСУ) и регулирования (АСР).

В 1946 году Т. Боде и Л. Мак ввели логарифмические частотные характеристики. Д. Кемпбелл, Т. Честнат, В.В. Солодовников завершили разработку частотных методов синтеза АСУ. В 50-е годы формировалась теория нелинейных АСУ (А.А. Андронов, А.М. Летов, М.А. Айзерман, румынский учёный В.М. Попов).

В 60-е годы появились работы по исследованию АСУ с переменной структурой (С.В. Емельянов и др.). Я.З. Цыпкин разработал основы теории релейных (1955) и импульсных (60-е годы) систем с различными видами модуляции. Трудами Г.В. Щипанова, В.С. Кулебакина, Б.Н. Петрова заложены основы теории инвариантности.

А.А. Фельдбаумом, Л.С. Понтрягным, А.А. Красовским и др. разработаны принципы оптимального управления. В 70-е годы появились первые адаптивные системы.

Интенсивное распространение автоматизации было также обусловлено появлением новых процессов и производств, новых элементов и устройств, постоянной тенденции повышения производительности и экономичности агрегатов, развития науки. В свою очередь автоматизация сделала возможным развитие и освоение новых отраслей и направлений современной науки и техники.