Введение в теорию автоматического управления

В результате изучения материала данной главы студент должен: знать

• • основные понятия теории автоматического управления;
• • примеры технических систем управления; уметь
• • классифицировать объекты и системы автоматического управления; владеть
• • навыками выделения переменных, характеризующих свойства объекта управления.

Предмет теории автоматического управления

Теория автоматического управления — это научная дисциплина, которая возникла сравнительно недавно, хотя отдельные устройства, работавшие без участия человека, были известны с глубокой древности.

Появившиеся в результате первого промышленного переворота в Европе в конце XVIII в. регуляторы (1765 г. — регулятор уровня И. И. Ползунова, а в 1784 г. — регулятор скорости паровой машины Д. Уатта) были предназначены стабилизировать работу технических устройств, на которые действуют внешние факторы из окружающей среды. Очень эффективным способом оказалось использование отрицательной обратной связи, которую в XIX в. вводили еще полу интуитивно, и без соответствующих расчетов это не всегда давало нужный эффект. Часто вместо предполагаемого улучшения работы применение регуляторов с отрицательной обратной связью приводило к неожиданному типу технических явлений: неустойчивости, склонности к генерации новых движений.

Для изучения этих явлений потребовались соответствующие методы, которые не только могли бы объяснить необычные свойства, но и позволили бы усмотреть общие закономерности поведения регуляторов. Их основы были изложены в появившихся во второй половине XIX в. первых работах «о регуляторах» английского математика-механика Д. Максвелла (1866 г.) и русского механика И. А. Вышпеградского (1876, 1877 гг.).

Активное развитие новой теории началось с появлением электротехнических, в частности электромашинных, систем и систем радиоавтоматики. До сих пор классическим примером систем автоматического управления является система регулирования скорости электрической машины. Впоследствии оказалось, что методы теории автоматического управления позволяют объяснить работу объектов различной физической природы: в механике, энергетике и т. д. — везде, где можно усмотреть обратную связь. Все методы объединяет одна общая задача: обеспечить необходимую точность и удовлетворительное качество переходных процессов. Таким образом, теория автоматического управления является по существу теорией переходных процессов в системах с отрицательной обратной связью.

К настоящему времени теория автоматического управления является сложившейся научной дисциплиной со своим аналитическим аппаратом, в развитие которого большой вклад внесли известные русские ученые-математики А. М. Ляпунов, Е. А. Барбашин, Н. Н. Красовский и другие.

Предметом изучения теории автоматического управления являются свойства, методы расчета и конструирования систем автоматики с обратными связями. Как и любая теория, она имеет дело не с реальными инженерными конструкциями, а с их моделями. Они выражаются, как правило, математическим языком, т. е. имеют вид определенных уравнений. Понятно после этого, что все выводы и рекомендации теории автоматического управления справедливы только при полном соответствии моделей и реальных устройств, но этого никогда не бывает на практике.

Результатом неполноты модели является отличие в поведении теоретической и реальной систем, что обычно обнаруживается при наладке последней. Таким образом, этап настройки есть неизбежный шаг к получению работоспособной системы автоматического управления. Иногда при большом несоответствии модели свойствам реального технического устройства инженеру-проектировщику приходится снова уточнять его математическую модель и пересчитывать результат конструирования.

При нынешнем уровне развития науки и техники для составления моделей обычно используется аппарат дифференциальных уравнений, на языке которых сформулированы основные законы механики и физики макромира.

Итак, предметом теории автоматического управления являются свойства моделей систем автоматики, которые представлены дифференциальными уравнениями, а также их различными преобразованиями и интерпретациями.