Предисловие. 
Автоматика

Автоматизация производственных процессов во всех отраслях промышленности и агропромышленного комплекса (АПК) является одним из самых прогрессивных направлений современной науки и техники. Автоматизация обеспечивает повышение производительности труда, улучшение условий работы обслуживающего персонала и повышение качества выпускаемой продукции. Она способствует снижению материальных и энергетических затрат и, следовательно, повышению эффективности любого производства. Автоматическое управление часто оказывается более точным, быстродействующим и надежным, лишенным субъективных ошибок и экономически более выгодным, чем ручное управление. Это и понятно, поскольку развитие техники привело к применению процессов, происходящих настолько быстро, что человек не успевает управлять ими.

Степень автоматизации управления различными технологическими и вычислительными процессами характеризует общий уровень развития техники в стране. Для автоматизации любого, в том числе сельскохозяйственного, производства необходимо знать теорию и принципы работы систем автоматического управления и контроля, а также устройство и принцип действия отдельных элементов технических средств, из которых состоят системы автоматического управления и контроля.

Теория автоматического регулирования и управления является наукой, которая опирается на сложный математический аппарат в решении линейных и нелинейных дифференциальных уравнений. При этом точные методы решения известны не для всех классов дифференциальных уравнений. Трудами ученых многих стран мира разработаны различные методы, упрощающие решение этих сложных задач. К ним относятся прежде всего операторный метод и частотные методы. Они помогают упростить решение задачи, но делают его менее наглядным. Например, оценку качества систем автоматического регулирования производят по распределению корней, по анализу вещественной частотной характеристики и по логарифмической амплитудно-частотной характеристике.

Широкие возможности современной вычислительной техники и методов математического моделирования позволили практически исключить необходимость в трудоемких процедурах нахождения аналитических решений нелинейных дифференциальных уравнений и специальных методов графического построения переходных процессов. В отличие от принятых ранее частотных методов исследования систем автоматического регулирования, новые методы сделали возможным ввести в теорию автоматики временной анализ. Это позволило взглянуть на многие положения теории управления с позиции представлений человека о развитии явлений во времени и упростить понятия управления.

Начало создания теории автоматического регулирования было положено публикацией И. А. Вышнеградского «Об общей теории регуляторов» в 1876 г. С тех пор процессы, подлежащие управлению, значительно усложнились, повысились требования к качеству систем автоматического управления. Однако фундаментальные принципы управления остались неизменными. Новый облик теории автоматического управления нашел отражение в монографиях и отдельных публикациях в нашей стране и за рубежом. Однако в учебной литературе эти новые методы освещены еще недостаточно полно.

Цель настоящего учебника — изложить основные методы теории автоматического управления с учетом новейших разработок и таким образом дать представление о современном состоянии данной области науки. Учебник представляет собой введение в теоретический курс по системам управления и автоматического регулирования. В нем подробно описаны классические принципы теории управления, а также отражены основные изменения в методологии основ автоматики, обусловленные новейшим этапом ее развития.

В настоящее время во многих случаях конечным результатом практической деятельности специалистов по автоматизированному управлению является создание управляющей системы с микроконтроллером, микропроцессором или микроЭВМ, т. е. цифровая реализация полученных алгоритмов управления. Поэтому в структуру учебника включены главы, посвященные дискретным и цифровым системам, а также системам управления с использованием нечеткой логики и искусственных нейронных сетей.

В книге рассмотрены современные методы математического описания процессов в системах автоматического регулирования (САР) с применением хорошо разработанных методов решения дифференциальных уравнений в интегрированных пакетах MathCad и MATLAB. Язык современной теории управления — это математические модели отдельных звеньев САР. Поэтому в условиях бурного развития вычислительной техники именно грамотно составленное математическое описание процессов в САР позволяет анализировать и прогнозировать процессы в них. Сегодня всё меньше требуется умение решать уравнения в общем виде, пользуясь различными аналитическими методами, и всё больше требуется умение решать много задач с применением одного наиболее удобного численного метода. Авторы стремились не перегружать книгу сложными математическими выводами, трудными для понимания студентов, а давать лишь начальные уравнения.

За последние десятилетия техника автоматизации пополнилась новыми большими достижениями. Достаточно сказать, что в современных условиях врач, находящийся за тысячи километров от больного, может, управляя роботизированным устройством, сделать больному сложнейшую операцию. Конечно, осветить в одном пособии все аспекты автоматизации невозможно. Поэтому в книге даны основы автоматики, которые помогут читателю, пользующемуся дополнительной специальной литературой, разобраться во многих сложных вопросах автоматизации.

В основу предлагаемого учебного издания авторы положили собственный многолетний опыт преподавания в Нижегородском государственном инженерно-экономическом университете (НГИЭУ). Содержание учебника и практикума соответствует актуальным требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и учебным планам по электротехническим, электромеханическим и электроэнергетическим направлениям и специальностям.

В результате освоения данного учебника студент должен:

знать

• • основные принципы построения систем автоматического регулирования с регуляторами прямого и косвенного действия; математическое описание типовых звеньев САР и типовых входных воздействий, структурные схемы и передаточные функции САР; алгебраические и частотные критерии устойчивости, критерии для оценки качества регулирования;
• • основные логические операции и реализацию их на релейно-контактных и бесконтактных элементах; программное обеспечение программируемых логических контроллеров и интеллектуальных реле; основные операции нечеткой логики и принцип функционирования систем с нечеткой логикой;
• • основные понятия о системах телеуправления, телесигнализации и телеизмерения ближнего и дальнего действия, методы разделения сигналов, уплотнения каналов связи и методы повышения достоверности передачи кодированной информации; принцип селективности релейной защиты и принцип ближнего и дальнего резервирования;
• • характеристики и технические возможности современных автоматических устройств; правила построения циклограмм и математический аппарат, применяемый при синтезе систем электроавтоматики промышленных механизмов;

уметь

• • анализировать процессы в простейших САР в статическом и динамическом режимах, а также переходные процессы в типовых звеньях САР с помощью временных и амплитудно-фазовых частотных характеристик; анализировать динамические процессы в САР с помощью критериев устойчивости;
• • применять методы минимизации логических функций и схем с использованием основных законов алгебры логики; определять количество информации, получаемое в результате единичной проверки системы, и ее энтропию; формулировать на основе эмпирических знаний базу нечетких правил, используемых в системе нечеткого вывода;
• • анализировать процессы в простейших телеизмерительных системах интенсивности и кодоимпульсных системах; выбирать уставки и выдержки времени основных и резервных защит с учетом ступени селективности их срабатывания;
• • производить обоснованный выбор технических средств автоматизации, отвечающих конкретным условиям эксплуатации, и находить по циклограммам комбинационное решение или вводить в исходную циклограмму промежуточные сигналы, исключающие неоднозначность решения задачи построения системы промышленной автоматики;

владеть

• • методами математического описания САУ и основными понятиями о моделировании процессов в простейших САР с помощью современных математических пакетов MathCad и MATLAB; методами преобразования структурных схем САР и алгоритмом выбора промышленных регуляторов для различных объектов управления; методами изображения процессов на фазовой плоскости и основными понятиями о моделировании динамических процессов в САР с помощью передаточных функций;
• • методикой составления таблиц неисправностей и алгоритмов диагностирования неразветвленных и разветвленных электрических цепей с дискретными элементами с применением метода дихотомии; методами математического моделировании процессов в системах с нечеткой логикой в среде MATLAB с использованием пакета расширения Fuzzy Logic Toolbox;
• • методами математического описания с помощью булевой алгебры в интегрированном пакете MathCad телемеханической системы трехзначной кодовой автоблокировки на железнодорожном транспорте; понятиями, характеристиками, методами расчета уставок релейной защиты и методами математического моделирования процессов в сложных устройствах релейной защиты с помощью интегрированного математического пакета MathCad;
• • навыками выбора и расчета технических средств автоматики, используемых в системах управления; методами проектирования и ввода в эксплуатацию регулируемых электроприводов станков с ЧПУ и их настройкой, достаточной для нормального функционирования привода.

Авторы выражают глубокую благодарность кандидату физико-математических наук, доценту Я. К. Любимцеву (Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского) за полезные замечания, высказанные на этапе предварительного обсуждения рукописи.

Авторы выражают также признательность рецензентам: доктору технических наук, профессору кафедры «Электрификация и автоматизация» факультета информационных технологий и систем связи НГИЭУ, почетному работнику высшего профессионального образования Б. В. Панкову и доктору технических наук, профессору кафедры «Электрооборудование, электропривод и автоматика» Образовательно-научного института электроэнергетики Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева (НГТУ), заслуженному деятелю науки РФ В. Г. Титову — за ценные замечания, которые в значительной мере способствовали улучшению содержания предлагаемого учебника.

Учитывая, что данный учебник и практикум не свободны от недостатков, авторы будут благодарны читателям за указания на обнаруженные упущения. Замечания и предложения по содержанию учебника просьба направлять в издательство «» по адресу: 111 123, Москва, ул. Плеханова, д. 4а.