Введение

Теория автоматического управления изучает процессы управления, методы исследования и основы проектирования систем автоматического управления (САУ).Понимая управление каким-либо объектом, как процесс воздействия на него с целью обеспечения требуемого изменения его состояния, под автоматическим управлением будем понимать управление объектом без непосредственного участия человека. В настоящее время теория автоматического управления представляет собой единую научную базу для решения задач управления объектами различной природы: физической, химической, биологической и т.п.

Целью проведения инженерных расчетов САУ является решение одной из двух задач – анализа или синтеза системы. В первом случае требуется оценить показатели качества регулирования системы при условии, что ее структура и значения параметров известны. Во втором случае задаются требуемые значения показателей качества и ставится задача создать систему, удовлетворяющую этим требованиям.

Независимо от цели расчетов решение поставленной задачи предполагает разработку математического описания системы – ее математической модели.

1. ОсновНые понятия и определения теории автоматического управления

1.1. Краткие сведения по истории развития систем автоматического управления

К числу определяющих моментов в истории развития систем автоматического управления обычно относят создание центробежного регулятора, запатентованного Дж. Уаттом в 1784 году, и предназначенного для регулирования скорости паровой машины. Регулирование осуществлялось двумя сбалансированными на одной оси грузами, вращающимися синхронно с валом машины и соединенными с дроссельной заслонкой, которая при центробежном перемещении грузов перекрывала проходное сечение парового патрубка. Установка паровой машины Дж.Уатта на транспортные объекты (повозки и корабли) привела к созданию паровозов и пароходов, что привело к появлению транспортного машиностроения.

Но очевидно, что потребность в использовании различного рода регуляторов возникла гораздо раньше – а именно при создании таких высокоточных механизмов, как часы. Сохранилось описание конструкции часов, которые Гюйгенс в 1657 году снабдил маятниковым регулятором хода. Гораздо более раннее упоминание об использовании автоматических устройств связано с именем Герона Александрийского, в работах которого рассматривается пневматическое устройство, предназначенное для автоматического открывания ворот храма, но которое так и не было реализовано практически. И лишь на рубеже XVIII и XIX столетий, в эпоху бурного развития промышленности в Европе началось широкое внедрение промышленных регуляторов. К первым автоматическими регуляторами этого периода, кроме упомянутого регулятора скорости Дж. Уатт, следует отнести автоматический поплавковый регулятор питания котла паровой машины, внедренный в 1765 году И.И. Ползуновым, то есть почти на двадцать лет раньше регулятора Уатта, а также система программного управления ткацким станком, разработанная Жаккаром в 1804-1808 годах. В этот же период начинает развиваться и теория автоматического управления, формируется ряд важных принципов автоматики: принцип регулирования по отклонению Ползунова-Уатта и принцип регулирования по возмущению Понселе. Первые публикации по исследованию регуляторов появляются в двадцатых–тридцатых годах XIX века. Д.С. Чижов опубликовал один из первых трудов в 1823 году. Значительный вклад в теорию внесли три фундаментальные работы, содержащие по существу изложение основ новой науки: Д.К. Максвелла «О регуляторах» (1866 г.) и две работы И.А. Вышнеградского «Об общей теории регуляторов» (1876 г.) и «О регуляторах прямого действия» (1877 г.). Их публикация позволило дать общий подход к исследованию разнообразных по своей физической природе систем, заложить основы теории устойчивости и установить ряд важных общих закономерностей регулирования по принципу обратной связи. Начинается усиленная разработка математического аппарата, в частности были разработаны алгоритм для определения устойчивости систем по виду корней характеристического уравнения и критерии устойчивости систем Раусcа (1877 год) и Гурвица (1895 год).В 1892 г. выходит в свет работа А.М. Ляпунова "Общая задача об устойчивости движения", окончательно сформулировавшая теорию регулирования как особую область знаний, опирающуюся на строго доказанный математический аппарат и конкретные практические приложения.

Важное место в теории регулирования занимают работы Н.Е. Жуковского «О прочности хода» и «Теория регулирования хода машин» (1909 г.).

В период с 1900 по 1940 гг. появляется целый ряд работ, рассматривающих приложения теории регулирования к разнообразным техническим процессам. Особенно чётко мысль о теории регулирования как о дисциплине общетехнического характера проводится в ряде работ И.И. Вознесенского (период с 1922 по 1942 гг.), руководителя одной из крупнейших научных школ в этой области.

Быстрое развитие систем автоматического управления вело к необходимости создания более эффективных методов исследования. Появляются работы Найквиста (1932 г.) и Михайлова (1938 г.), касающиеся теории устойчивости. Частотные критерии устойчивости, разработанные А.В. Михайловым, быстро вошли в практику. В 1946 г. Т Броде и Я. Маккол ввели в рассмотрение логарифмические характеристики.

В эти же годы усилия исследователей направляются на разработку общих основ теории нелинейных систем. Одно из важнейших направлений, исследование устойчивости нелинейных систем, основывающееся на работах А.М. Ляпунова (1896 г.), развивалось в работах Н.Г. Четаева (1945 г.), А.И. Лурье (1944–1951), А.М. Летова и др.

В трудах Г.В. Щипанова, В.С. Кулебякина, Б.Н. Петрова и других были разработаны теория автоматического регулирования по возмущению и теория компенсации возмущений.

В.В. Казаничевым, А.П. Юркевичем, А.А. Фелдбаумом, А.А. Красовским и другими были сформулированы и исследованы принципы экстремального управления и разработана теория экстремальных систем, а также созданы основы теории оптимального управления.

В настоящее время повышение значимости теории автоматического управления обусловлено еще и тем, что принципы управления, определяющие функционирование технических объектов, во многом аналогичны тем законам, по которым развиваются биологические, экономические и социальные системы. Это обуславливает возможность формирования обобщенной теории управления, подтверждающей слова французского ученого Блеза Паскаля: «Не следует себя обманывать: мы являемся в такой же степени автоматами, в какой и мыслящими существами…»