Методы синтеза систем автоматической стабилизацииции и позиционирования

УДК 62-52 (0.75.8)

© Коллектив авторов, 2019

© Национальный аэрокосмический

университет им. Н. Е. Жуковского

ISBN 978-966-662-684-7

«Харьковский авиационный институт», 2019

используя энергию падающего камня,

каменю, що падає, нахиленого дерева,

наклоненного дерева, натянутой тите-

натягнутої

тятеви.

Ктесибий

з

вы. Ктесибий из Александрии (около II

Александрії (близько II − I ст. до н. е.) −

− I вв. до н. э.) − гениальный инженер-

геніальний інженер-винахідник, ство-

изобретатель, создал водяные часы, в

рив водяний годинник, в якому уперше

которых впервые использовал принцип

використав

принцип

управління

по

управления по отклонению. Герон

відхиленню.

Герон Александрійський

Александрийский (около II в. н.э.) –

(близько II ст. н. е.) − блискучий вина-

блестящий изобретатель, в своем сочи-

хідник, який у своєму творі "Пневма-

нении «Пневматика», описал примерно

тика" описав приблизно 75 дивовижних

75 диковинных устройств: автоматы

пристроїв: автомати для відкривання

для открывания дверей в храме, прода-

дверей у храмі, продажу води, автома-

жи воды, автоматические игрушки.

тичні іграшки. Перший у світі меха-

Первые в мире механические часы сма-

нічний годинник змайстрував буд-

стерил буддийский монах И– син в 725

дійський чернець І– сін у 725 р. н. е., у

г. н. э., в которых использовалось водя-

якому використовувалося водяне коле-

ное колесо как задающий механизм.

со як задавальний механізм.

Первой в истории системой с

Першою в історії системою із

обратной связью был поплавковый ре-

зворотним зв'язком був поплавцевий

гулятор уровня воды в паровом котле,

регулятор рівня води в паровому котлі,

изобретенный И. Ползуновым в 1765 г.

винайдений І. Ползуновим в 1765 р.

Первым промышленным автомати-

Першим промисловим

автоматичним

ческим регулятором считается центро-

регулятором

уважається

відцентровий

бежный регулятор Джеймса Уатта,

регулятор Джеймса Уатта, розроблений

разработанный в 1760 г., для регули-

в 1760 р., для регулювання швидкості

рования скорости вращения вала паро-

обертання вала парової машини.

вой машины.

Период

изобретательства

по-

Період

винахідництва

за

средством интуитивного понимания ро-

допомогою інтуїтивного розуміння ролі

ли обратной связи в автоматизации,

зворотного зв'язку в автоматизації,

продолжался до 1868 года. Всякие по-

тривав до 1868 року. Усякі спроби

пытки увеличить точность регулиро-

збільшити

точність

регулювання

вания приводили к затягиванию пере-

призводили до затягування перехідних

ходных процессов и даже к потери

процесів і навіть до втрати стійкості. На

устойчивости. На этот вызов отре-

цей виклик відреагували Дж. Максвелл

агировали Дж. Максвелл и И. Вышне-

й І. Вишнеградський, що почали

градский, начавшие закладывать фунда-

закладати

фундамент

теорії

мент теории автоматического управле-

автоматичного

управління.

Значний

ния. Значительный вклад в фунда-

внесок у фундаментальні основи теорії

ментальные

основы теории

внесли

зробили

А.

Ляпунов

–

своєю

А. Ляпунов –

своей докторской работой

докторською роботою "Загальна задача

«Общая задача об устойчивости дви-

про стійкість

руху",

А.

Стодола,

жения», А. Стодола, А. Гурвиц, Х. Най-

А. Гурвіц, Х. Найквіст та ін.

квист и др.

Автоматизация интенсивно осваи-

Автоматизація

інтенсивно

освоює

вает различные объекты и процессы че-

різні об'єкти й процеси людської

ловеческой деятельности.

Потребность

діяльності. Потреба в нових системах

в

новых

системах

автоматического

автоматичного управління безперервно

управления

непрерывно

возрастает.

зростає.

Створення

нових

систем

Создание новых систем связано с

пов'язане з процесом проектування.

процессом проектирования. Проекти-

Проектування (від лат. projectus –

рование (от лат. projectus –

брошенный

кинутий

вперед)

–

прадавній

вид

вперед)

–

древнейший

вид

челове-

людської діяльності.

ческой деятельности.

На ранних этапах своего развития

На ранніх етапах свого розвитку

проектирование было видом искусства,

проектування було видом мистецтва,

носящего рецептурный характер. Се-

що має рецептурний характер. На цей

годня

– это

вид

профессиональной

час

– це

вид

професійної наукової

научной

деятельности,

характери-

діяльності, що характеризується більш

зующийся

более высоким

уровнем

високим

рівнем

системності

і

системности и формализуемости.

формалізовності.

В процессе развития сформирова-

У процесі розвитку сформувалися

лось два принципиальных подхода к

два

принципові

підходи

до

проектированию. Первый подход на-

проектування. Перший підхід названо

зван

эвристическим

проектированием.

евристичним

проектуванням.

Його

Его

особенности

заключаются в

особливості полягають в такому: 1. Є

следующем: 1. Имеются прототипы.

прототипи. 2. Конкретне технічне

2.

Конкретное

техническое

задание.

завдання. 3. Єдина професійна мова.

3. Единый профессиональный язык.

4. Відомі методики та схеми

4. Известны методики и схемы расче-

розрахунків. 5. Просте управління

тов.

5.

Простое управление проектом.

проектом. 6. Об'єм,

термін і вартість

(метод проб и ошибок). 8. Рецептурный

8. Рецептурний характер.

характер.

Второй подход –

это

системное

Другий

підхід –

це

системне

проектирование. Он базируется на

проектування. Він базується на таких

таких положениях: 1. Нет прототипов.

положеннях:

1. Немає

прототипів.

2. Показатели и критерии технического

2. Показники і критерії технічного

задания уточняются

в

процессе

завдання уточнюються

в

процесі

проектирования. 3. Множество профес-

проектування. 3. Безліч професійних

сиональных языков. 4. Методики и схе-

мов. 4. Методики і схеми формуються в

мы формируются в процессе проекти-

процесі проектування. 5. Складне

рования. 5. Сложное управление про-

управління процесом. 6. Об'єм, термін і

цессом. 6. Объем, срок и стоимость

вартість проекту значні. 7. Методологія

проекта велики. 7. Методология форми-

формується науково. 8. Системний

руется научно. 8. Системный уровень

рівень складності об'єкта проектування.

сложности объекта проектирования.

В настоящее время под проектиро-

Нині під проектуванням розу-

ванием понимаются создание и опии-

міються створення і опис ідеальних

сание идеальных образцов искусствен-

зразків штучних об'єктів відповідно до

ных объектов в соответствии с неко-

деяких наперед заданих їх властивостей

торыми наперед заданными их свой-

з метою

подальшої

матеріальної

ствами в целях последующей мате-

реалізації цих об'єктів.

риальной реализацией этих объектов.

Итак,

суть

проектирования – это

Отже,

суть

проектування

–

це

создание моделей объекта, которые

створення моделей об'єкта, які будуть

будут реализованы материально.

реалізовані матеріально.

Учебное

пособие

посвящено

Навчальний

посібник

присвячено

одному

из

первых

этапов

одному з перших етапів проектування –

проектирования

–

эскизному

ескізному проектуванню і, зокрема,

проектированию и, в частности,

типовим

методам синтезу

систем

типовым

методам синтеза

систем

автоматичної

стабілізації

і

автоматической

стабилизации

и

позиціонування. Подані типові методи

позиционирования.

Представленные

базуються на якнайповніших частотних

типовые

методы

базируются

на

моделях об'єктів управління. У

наиболее полных

частотных

моделях

посібнику наведено історичні відомості

объектов управления. В пособии

про розвиток методів, методики

приведены

исторические

сведения

о

синтезу і приклади розрахунків для

развитии методов, методики синтеза и

електроприводу,

квадрокоптера

й

примеры расчетов для электропривода,

літака.

квадрокоптера и самолета.

Назначение

учебного

пособия

Призначення

навчального

заключается в

оказании

практической

посібника полягає у наданні практичної

помощи

при

освоении

теории

допомоги

при

освоєнні

теорії

автоматического

управления

и

автоматичного управління та виконанні

выполнении курсовых и

бакалаврских

курсових і бакалаврських проектів.

проектов.

Управлять всем, что управляется,

Управляти всім, що управляється,

а что не управляется − сделать

а що не керується − зробити

управляемым.

керованим.

Я. З. Цыпкин (1919−1997) −

Я. З. Ципкін (1919−1997) −

выдающийся советский

видатний радянський

учёный в области

вчений в області

автоматического управления

автоматичного управління

1.1. Проблематика современного

1.1. Проблематика сучасного

этапа развития

етапу розвитку

Мы

живём

в

условиях

Ми

живемо в

умовах

певних

определённых

объективных

об'єктивних обмежень. Усвідомлення

ограничений.

Осознание

обстоятельств

обставин

обмеженості

цього

Світу

ограниченности

этого

Мира приходит

приходить поступово до жителів усієї

постепенно к жителям всей Планеты. В

Планети. У доповіді Римського клубу

докладе Римского клуба «Come on!

«Come on! Капіталізм, короткозорість,

Капитализм, близорукость, население и

населення і руйнування планети»,

разрушение планеты», посвященном его

присвяченій його 50-річному ювілею,

50-летнему

юбилею,

отмечаются

відзначаються наростаюче виснаження

нарастающее

истощение

всех

усіх природних ресурсів і необхідність

природных

ресурсов

и необходимость

переходу

до

розумного

їх

перехода

к

разумному

их

використання

як

в

тривалому

использованию

как

в

длительном

пілотованому

польоті

на

космічному

пилотируемом

полёте

на

космическом

кораблі [1].

корабле [1].

Ограниченность

ресурсов

и

Обмеженість ресурсів і нерозумне

неразумное их использование привело к

їхнє використання призвело до ряду

ряду проблем мирового значения.

проблем

світового

значення.

Проблемы, затрагивающие в настоящее

Проблеми, що зачіпають зараз життєві

время жизненные интересы населения −

інтереси населення − це перш за все

это прежде всего экологические.

екологічні.

Відчутне

погіршення

Ощутимое ухудшение среды обитания

середовища

проживання

людини,

человека, животных, растений, флоры и

тварин, рослин, флори і фауни

фауны

наблюдается

в

деградации

спостерігається

у

деградації

показателей качества жизни. Это

показників якості життя. Це зміна

изменение состава воздуха, ухудшение

складу повітря, погіршення якості

качества продуктов питания, состава

продуктів харчування, складу питної

питьевой воды, качества одежды,

води, якості одягу, поява нових видів

появление новых видов заболеваний в

захворювань у біосфері, тощо.

биосфере и т. п.

Экономические проблемы связаны

Економічні проблеми пов'язані з

с

невозможностью

обеспечения

неможливістю

забезпечення

бескризисного,

стабильного

и

безкризового, стабільного і стійкого

устойчивого

развития

экономических

розвитку економічних відносин як на

отношений

как

на

региональных

регіональних рівнях, так і глобально.

уровнях, так и глобально.

Социальные

проблемы

Соціальні

проблеми

зумовлені

обусловлены

невозможностью

неможливістю

забезпечення

як

обеспечения

как

стабильного

и

стабільного і

гармонійного розвитку

гармоничного развития социумов, так и

соціумів, так і безсиллям перед

безсильностью

перед разрушающей

руйнівною

моральністю

суспільства

нравственность общества властью денег.

владою грошей. Як наслідок – істотне

Как

следствие

–

существенное

розшарування світового суспільства на

расслоение

мирового

общества

на

бідних

і

багатих,

тероризм,

бедных

и

богатых,

терроризм,

злочинність, міграція та інші наслідки,

преступность, миграция и другие

що погіршують життєві умови людей.

последствия,

ухудшающие

жизненные

условия людей.

Проблемы

здравоохранения

Проблеми

охорони

здоров'я

связаны

с

невозможностью

пов'язані з неможливістю своєчасного

своевременного

предупреждения

и

попередження та якісної профілактики

качественной

профилактики

захворювань, а також збільшення

заболеваний, а также увеличения

періоду

активного

довголіття

і

периода

активного

долголетия

и

впровадження

культури

здорового

внедрения культуры здорового образа

способу життя.

жизни.

Проблемы

образования

населения

Проблеми

освіти

населення

связаны

с

растущим

противоречием

пов'язані зі зростаючим протиріччям

между

увеличивающимся

объёмом

між обсягом знань про Світ, що

знаний

о

Мире

и

ограниченными

збільшуються,

і

обмеженими