В.Ю. Островлянчик

ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Часть I.

Линейные системы управления

Учебное пособие

Новокузнецк

2012

ВВЕДЕНИЕ

Значение теории автоматического управления в настоящее время переросло рамки только технических систем.

Динамические управляемые процессы имеют место в живых организмах, экономических и организационных человеко-машинных системах.

Человек, являясь одним из звеньев сложных динамических систем, сам является самым совершенным созданием природы, наделен способностью воспринимать информацию об окружающем нас мире, перерабатывать ее и принимать разумные решения. Воспринимая и перерабатывая информацию, он способен управлять - управлять машинами, технологией, обществом, экономикой и т.д.

Таким образом, Человек - самая совершенная и самая сложная кибернетическая система.

Любой живой организм управляет своими движениями и многими другими функциями. Для этого служат управляющие системы, которыми он обладает. Ни один живой организм не мог бы существовать без таких управляющих систем. Их расстройство приводит к различным заболеваниям и к гибели живых существ.

Чем сложнее задача приспособления к окружающим условиям и воздействиям, тем сложнее должно быть устройство динамической системы. Но каковы бы не были эти системы, процессы управления ими подчиняются некоторым общим закономерностям и характеризуются сходными явлениями. Эти закономерности и явления изучает кибернетика - наука об управлении динамическими системами.

Кибернетика - наука об общих закономерностях процессов управления, основывается на изучении объектов управления при внешних воздействиях, получении информации о протекании процессов в этих объектах и выработке управляющих воздействий, обеспечивающих оптимальное, в определенном заданном смысле, состояние объектов.

Объектами управления могут быть: живые организмы, коллективы людей, производственные предприятия, заводы, цехи, отдельные станки, машины. В зависимости от объекта управления и задач управления, системы управления могут быть различными - от самых простых систем регулирования до сложных, содержащих десятки вычислительных машин, решающих задачи оптимального управления множеством объектов.

Наша задача - рассматривать в качестве объектов управления технические устройства и, в первую очередь, наиболее простые. Наука об управлении техническими системами называется технической кибернетикой.

Разделами технической кибернетики являются теория информационных устройств, связанная со сбором и переработкой информации, необходимой для управления системой человеком, и теория автоматического управления, связанная с управлением системой без непосредственного участия человека.

В основу теории автоматического управления (ТАУ) положена теория автоматического регулирования (ТАР), которая сформировалась в самостоятельную научную дисциплину только в 1940 г. Регулирование представляет собой разновидность управления.

Автоматическим регулированием называется поддержание постоянства или изменение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс, осуществляемое при помощи изменения состояния объекта или действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта.

Управление охватывает более широкий круг задач.

Под автоматическим управлением понимается автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.

Сравнивая определения управления и регулирования, можно заметить, что задачи регулирования входят в задачи управления.

Таким образом, теория автоматического управления изучает принципы построения, анализа и синтеза наиболее широкого класса автоматических систем, а именно систем автоматического управления и регулирования.

Материал курса ТАУ базируется и тесно связан с рядом основных дисциплин, которые изучаются на 1, 2, 3 и 4 курсах. Это, прежде всего, курс «Высшей математики», который занимает особое место в ТАУ, и «Теоретические основы электротехники».

Необходимы (особенно при изучении объектов управления) также знания, полученные при изучении таких дисциплин как «Промышленная электроника», «Вычислительная техника», «Электрические машины», «Электрические аппараты и средства автоматизации», «Введение в специальность», «Введение в автоматику». При изложении материала учитывается информация, полученная при изучении этих дисциплин.

В свою очередь теория автоматического управления является базисным курсом при изучении практически всех специальных дисциплин нашей специальности, к которым относятся следующие курсы: «Автоматизация общепромышленных механизмов», «Автоматизация типовых технологических процессов и промышленных установок», «Автоматизированные системы управления предприятием», «Надежность систем автоматики», «Конструирование систем автоматики».

Следует остановиться на некоторых особенностях изучения курса теории автоматического управления.

Из определения автоматического управления, данного выше, следует, что управление - это, прежде всего, организация какого-либо процесса, обеспечивающая достижение поставленной цели.

Целью управления может быть достижение наивысшей производительности машины, необходимой последовательности операций при минимальных затратах производства, создание изделий с заданными свойствами при минимальной себестоимости и т.д.

Управлять необходимо практически всем: машинами, агрегатами и технологическими процессами на производстве; экономикой, социальной и политической жизнью, процессом обучения. Управлению подлежат также процессы в биологии, медицине и т.д. Причем, управлять нужно оптимально. Поэтому наблюдается огромное количество объектов управления, управляемых процессов и целей управления. Все это обуславливает громадное разнообразие систем управления.

Однако все множество систем автоматики подчиняется общим закономерностям и построено по нескольким принципам. Эти закономерности и принципы едины для систем различной природы - механических, пневматических, электромеханических, электронных, биологических.

Все эти системы анализируются и рассчитываются едиными методами, имеют общие математические модели.

Цель ТАУ заключается в изучении общих принципов построения систем управления, методов их расчета, анализа и синтеза типовых структур.

Для управления в целом характерным является участие человека в процессе управления.

Как правило, в сложных человеко-машинных системах человек является элементом системы управления.

Поэтому надо изучать его поведение, характеристики, создавать математические модели человека, методы анализы и синтеза систем управления с учетом деятельности человека. Это одна из важных проблем сегодняшнего дня.