Лекция 1. История, цели и основные понятия теории

ЛЕКЦИЯ №1. ИСТОРИЯ, ЦЕЛИ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ. ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ.
(Слайд 1)
Литература
(Слайд 2)
1. Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического управления /
В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. – 4-е изд. перераб. и доп. – Спб. : Профессия, 2003.
2. Попов, Е.П. Динамика систем автоматического регулирования /
Е.П. Попов. – М. : ГИТТЛ, 1954.
3. Доронин, С.В. Теория автоматического управления и регулирования :
учеб. пособие / С.В. Доронин. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2005.
4. Малай, Г.П. Основы теории управления: учеб. пособие / Г.П. Малай.
– Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2009.
5. Скоблецкая, О.В. Основы теории управления: методические указания по выполнению лабораторных работ. Ч.1 / О.В. Скоблецкая. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2006.
6. Доронин, С.В. Теория автоматического управления: методические
указания по выполнению курсового проекта / С.В. Доронин. – Хабаровск :
Изд-во ДВГУПС, 1999.
1.1. Краткий исторический очерк
В число научных дисциплин, образующих науку об управлении, входит
теория автоматического управления (ТАУ) и регулирования. Вначале она
создавалась для изучения статики и динамики процессов автоматического
управления техническими объектами - производственными, энергетическими, транспортными и т. п. Основное ее значение сохранилось и в
настоящее время, хотя в последние годы ее выводами и результатами
начинают пользоваться и для изучения динамических свойств системы
управления не только технического характера, но и экономического, организационного, биологического и т. д.
Для осуществления автоматического управления техническим процессом создается система, состоящая из управляемого объекта и связанного
с ним управляющего устройства. Как и всякое техническое сооружение,
система должна обладать конструктивной жесткостью и динамической
прочностью. Эти чисто механические термины в данном случае несколько
условны. Они означают, что система должна выполнять заданные ей
функции с требуемой точностью, несмотря на инерционные свойства и
неизбежные помехи. Пока объект обладает достаточной жесткостью и ди1
намической прочностью, потребности в автоматическом регулировании не
возникает.
С необходимостью построения регуляторов первыми, по-видимому,
столкнулись создатели высокоточных механизмов, в первую очередь часов. Даже очень небольшие, но действующие непрерывно помехи, накапливаясь, приводили в конечном итоге к отклонениям от нормального хода,
недопустимым по условиям точности. Противодействовать им чисто конструктивными средствами, например, улучшая точность и чистоту обработки деталей, повышая их массу или увеличивая полезные усилия, не
всегда удавалось, и для повышения точности в состав часов стали вводить регуляторы. На рубеже нашей эры арабы снабдили поплавковым регулятором уровня водяные часы. В 1675 г. X. Гюйгенс встроил в часы маятниковый регулятор хода.
Другой причиной, побуждавшей строить регуляторы, была необходимость управлять процессами, подверженными столь сильным помехам,
что при этом утрачивалась не только точность, но зачастую и работоспособность системы вообще. Предшественниками регуляторов для подобных условий можно считать применявшиеся еще в средние века центробежные уравнители скорости в водяных мукомольных мельницах. Но хотя
отдельные автоматические регуляторы появлялись в давние времена, они
оставались любопытными в истории эпизодами и серьезного влияния на
формирование техники и теории автоматического управления не оказали.
Бурное развитее этих направлений началось лишь в XVIII и XIX столетиях,
в эпоху промышленного переворота в Европе.
Первыми промышленными регуляторами этого периода можно назван,
автоматический поплавковый регулятор питания котла паровой машины,
построенный в 1765 г. И. И. Ползуновым в Барнауле; центробежный регулятор скорости паровой машины, на который в 1784 г. получил патент английский механик Дж. Уатт; первое программное устройство управлении
ткацким станком от перфокарты (для воспроизведения узоров на коврах),
построенное в 1808 г. Ж. Жаккаром. Эти регуляторы как бы открыли путь
потоку изобретений принципов регулирования и регуляторов, продолжавшемуся вплоть до середины 20 века.
Паровая машина не случайно стала первым объектом для применения
техники и теории регулирования, так как она не обладала способностью
устойчиво работать сама по себе, не имела самовыравнивания. Ее неблагоприятные динамические свойства часто приводили к тому, что подключенный к ней регулятор действовал не так, как ожидал конструктор, раскачивал машину или вообще оказывался неспособным управлять ею. Все
это, естественно, побуждало к проведению теоретических исследований
Однако до конца 60-х годов прошлого века теоретические исследования
регулирования отличались отсутствием системного подхода. Исследователи ещё не сознавали, что в технике рождается новое направление. Они
считали, что регуляторы были лишь вспомогательным придатком к машине, дублировавшим функции маховиков. Во многих работах рассматри2
вались идеальные безинерционные регуляторы. Шагом вперед были работы, учитывавшие динамику регулятора, но и в них регулятор рассматривался отдельно от машины. Авторы обычно добивались хорошего успокоения колебаний самого регулятора, считая, что этого достаточно и для его
устойчивой работы в машине. При таких подходах теоретические исследования не могли стать основой для новой науки и были лишь дополнительными частными проработками в рамках прикладной механики, придатком к
её разделу о паровых машинах.
Коренное изменение в подходе к проблеме и в методологии исследований внесли три фундаментальные работы, содержащие, по существу,
изложение начал новой науки: работы Дж. Максвелла «О регуляторах»
(1866) и И.А. Вышнеградского «Об общей теории регуляторов» (1876) и «О
регуляторах прямого действия» (1877).
Дж. Максвелл и И.А. Вышнеградский осуществили системный подход к
проблеме, рассмотрев регулятор и машину как единую динамическую систему, перейдя к исследованию малых колебаний и линеаризовав сложные дифференциальные уравнения системы, что позволило дать общий
методологический подход к исследованию самых разнородных по принципам действия и конструкции систем, заложить основы теории устойчивости
и установить ряд важных общих закономерностей регулирования по принципу обратной связи. Особо важную роль в то время сыграла работа И.А.
Вышнеградского, отличавшаяся глубоким инженерным подходом, рассмотрением самых важных для техники тех лет объектов и содержавшая
кроме ценных практических рекомендаций истоки ряда современных методов исследования качества регулирования. Поэтому И.А. Вышнеградского считают основоположником теории автоматического регулирования.
Работа Дж. Максвелла осталась в то время почти незамеченной, так
как она рассматривала малоинтересный для широкого круга инженеров
объект (механизм ведения телескопа), явно полезных практических выводов не делала и даже по умозрительным выводам рекомендовала астатические регуляторы, практически непригодные для промышленных машин
того времени. Её роль была оценена значительно позднее, когда теория
автоматического регулирования сформировалась в самостоятельную общую научную дисциплину.
Уже в ранние годы теория регулирования стала стимулировать разработки математического плана. По рекомендации Дж. Максвелла Раусом
был разработан алгоритм для оценки расположения корней характеристического уравнения и устойчивости. По просьбе А. Стодолы А. Гурвщем
был выведен детерминантный критерий устойчивости. Работы словацкого
инженера и учёного А. Стодолы занимают видное место в теории устойчивости регулирования паровых и гидравлических турбин, в учёте влияния
на процесс регулирования длинного трубопровода.
Крупный вклад в теорию внесён Н.Е. Жуковским, автором труда «О
прочности движения» и первого русского учебника «Теория регулирования
хода машин» (1909). Н.Е. Жуковский дал математическое описание про3
цессов в длинных трубопроводах, рассмотрел влияние сухого трения в регуляторах, исследовал некоторые процессы импульсного регулирования
посредством уравнений в конечных разностях.
К началу XX века (в первые десятилетия) теория автоматического регулирования формируется как общая дисциплина с рядом прикладных
разделов, таких как регулирование:
 электрических машин и систем X. Тома (1914), В.С. Кулебакин
(1926), С.А, Лебедев и П.С. Жданов, Н.М. Крылов и Н.Н. Боголюбов (1932), Р. Жюильяр (1933);
 двигателей М. Толпе (1905), У. Тринкс (1919);
 тепловых и паросиловых установок Т. Штейн (1926), Г. Вюнш,
Ю.Г. Корнилов и В.Д. Пивень (30-е годы XX века);
 паровых турбин А.В. Щегляев(1933);
 различных производственных процессов В. Оппельт(1939) и
др.
Особенно чётко мысль о теории регулирования как дисциплине общетехнического характера проводится в работах И.Н. Вознесенского (19221949) - руководителя одной из крупных школ в этой области.
Усложнение системы, связанное с повышением интенсивности процессов, скоростей, требований к точности и качеству, приводит к необходимости создания более эффективных методов исследования.
Мысль исследователей обращается к частотным методам, позволяющим сочетать аналитические и наглядные графические приёмы, теоретические и экспериментальные методы исследования. Появляются работы
X. Найквиста (1932), в которой рассматривается критерий устойчивости
радиотехнических усилителей с обратной связью, основанный на свойствах частотной характеристики разомкнутой системы, и А.В. Михаилова
«Гармонический метод в теории регулирования» (1938), в которой обосновывалась целесообразность применения частотных методов в теории регулирования и предлагался новый критерий (критерий Михайлова), не требующий предварительного размыкания цепи регулирования.
В 1946 г. Г. Воде и Л. Мак-Кол ввели логарифмические частотные характеристики.
Флойд для исследования качества предложил аппроксимировать вещественную частотную характеристику суммой трапеций.
Г. Браун, А. Холл, Д. Кемпбелл, Г. Честнат, В.В. Солодников завершили
разработку частотных методов синтеза и расчёта систем, придав им форму, удобную для инженерных расчётов.
Развитие теории автоматического регулирования в послевоенные годы
было исключительно плодотворным и многогранным, поэтому невозможно,
хотя бы бегло, даже упомянуть о всех основных направлениях и авторах.
Ограничимся коротким упоминанием об основных новых разделах теории,
посвященных разработкам новых фундаментальных принципов управления, выполненных российскими авторами.
4
Трудами Г.В. Щипанова, В.С. Кулебакина, Б.Н. Петрова и других разработаны теория автоматического регулирования по возмущению, теория
компенсации возмущений и инвариантности.
В.В. Казакевичем, А.А. Фельдбаумом, А.А. Красовским и другими разработаны принципы экстремального управления и теория поиска экстремума (дуального управления).
Л.С. Потрягин, А.М. Летов, Н.Н. Красовский и другие создали основы
теории оптимального управления, обеспечивающего максимальное значение показателя технико-экономической эффективности процесса в динамике.
Разработка теории экстремальных (самонастраивающихся) систем дала основание расширить название - «Теория автоматического управления
и регулирования», поскольку рассматриваемые виды управления не ограничиваются только регулированием.
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. В таких системах функции управления не могут быть полностью переложены на автоматические устройства.
Принятие наиболее ответственных решений остаётся за человеком. Системы, в которых автоматизируется часть операций, а другая часть выполняется человеком, получили название «Автоматизированные системы
управления» (АСУ).
АСУ создаются на нескольких уровнях: технологических процессов
(ЛСУТП), предприятия (АСУП), отрасли и т.д. В АСУ широко используется
вычислительная техника. Изучение принципов построения АСУ составляет
предмет специального учебного курса [1].
1.2. Основные задачи
Перед теорией автоматического регулирования ставятся следующие
основные задачи.
(Слайд 3)
1. Разработка методов синтеза систем автоматического регулирования, позволяющих выбрать схему взаимодействия элементов, а также параметры и характеристики этих элементов таким образом, чтобы система
в целом удовлетворяла заданным требованиям к её поведению в статики
и динамике.
2. Разработка методов анализа систем автоматического регулирования, позволяющих определить, удовлетворяют ли они предъявленным к
ним требованиям, и показывающих пути улучшения их статических и динамических свойств.
3. Разработка методов коррекции систем автоматического регулирования, позволяющих нужным образом изменять их статические и динамические свойства.
5
4. Разработка методов экспериментального исследования и наладки
систем автоматического регулирования.
Главной задачей теории автоматического регулирования следует считать создание методов синтеза. В настоящее время разработка и про
актирование систем автоматического регулирования является сложной
задачей. Здесь можно наметить следующие основные этапы.
(Слайд 4)
1. Изучение объекта регулирования, определение его характеристик,
параметров, условий работы и воздействий, которые он испытывает.
2. Формулирование требований к системе регулирования.
3. Выбор первоначальной схемы регулирования.
4. Выбор элементов схемы регулирования на основе требований к
их мощности, надёжности, имеющихся источников питания, эксплуатационных требований и т.д.
5. Определение характеристик системы регулирования, обеспечивающих выполнение требований по статике и динамике.
6. Уточнение структурной схемы регулирования, определение не
обходимых корректирующих средств, окончательный выбор и расчёт элементов и параметров системы регулирования.
7. Теоретический анализ спроектированной системы, построение переходных процессов, частотных характеристик, исследование влияния
различных управляющих и возмущающих воздействий.
8. Экспериментальное исследование спроектированной системы в
лабораторных условиях на макетах или моделях и внесение корректировок в схему.
9. Проектирование и монтаж системы регулирования.
10. Наладка системы регулирования в реальных условиях работы и
опытная эксплуатация [1].
1.3. Понятие об автоматическом регулировании.
Автоматическим регулированием называется поддержание постоянного значения какой-либо физической величины или изменение этой величины по некоторому закону при помощи автоматически действующих
устройств при любых возмущающих воздействиях [1].
Под системой автоматического управления (САУ) понимается совокупность объекта управления (ОУ) и управляющего устройства
(УУ).
(Слайд 5)
Под объектом управления понимается некий механизм, агрегат,
устройство, некий технологический, энергетический, экономический, социальный процесс, желаемое поведение или протекание которого должно
быть обеспечено.
Поведение объекта управления, результат его функционирования
определяется некоторыми показателями. Чаще всего ими являются зна6
чения физических (или другой природы) величин, называемых выходными величинами Y(t) (рис. 1.1).
F(t)
Объект
управления
X(t)
Y(t)
Рис. 1.1. Объект управления
В реальных условиях на каждый объект управления многочисленные
воздействия оказывает окружающая (внешняя) среда. Из всего многообразия воздействий в поле зрения оставляют лишь те, которые оказывают
наибольшее влияние на выходные величины, и называют их входными
воздействиями.
Входные воздействия с точки зрения их влияния на ОУ разделяются на
две принципиально отличные группы. Некоторые из них обеспечивают желаемое изменение поведения объекта, достижение поставленных целей.
Такие входные воздействия называются управляющими X(t), при их отсутствии задача управления вообще не имеет места. Другие входные воздействия мешают достижению цели управления и называются возмущающими или помехами F(t).
Величины Y, X, F в зависимости от природы объекта связаны различными математическими зависимостями. В общем случае
Y = W (X,F) ,
где W – оператор, определяющий вид зависимости.
1.4. Основные понятия
(Слайд 6)
Объект управления – это агрегат, в котором осуществляется автоматическое управление.
Устройство управления – устройство выполняющее задачу автоматического управления в данном объекте.
Система автоматического управления (САУ) – совокупность объекта управления и устройства.
Регулируемая величина – физическая величина, которая подлежит
автоматическому регулированию.
7
Возмущающее воздействие – всякое внешнее воздействие на объект управления, которое стремится вызвать отклонение регулируемой величины от заданного значения.
Управляющее воздействие – это воздействие, оказываемое устройством управления на объект управления с целью обеспечения протекания
в нем желаемого процесса так, чтобы регулируемая величина равнялась
заданному значению.
1.5. Принципы управления
(Слайд 7)
Для рассмотрения процессов управления используют три основных
принципа:
 разомкнутого управления,
 управления по отклонению,
 управления по возмущению.
1.5.1. Принцип разомкнутого управления
(Слайд 8)
Сущность принципа разомкнутого управления заключается в том, что
алгоритм управления строится по заданному алгоритму функционирования и не контролируется по фактическому значению управляемой величины. На рис. 1.2. представлена схема разомкнутой цепи. Здесь задатчик алгоритма функционирования (ЗАФ) вырабатывает сигнал X0(t), которым он
воздействует на блок управления (БУ) вырабатывающий входное воздействие X(t) для получения управляемой величины Y(t) близкой к X0(t). Если
Y(t) сильно отличается от X0(t) то управление становится невыгодным.
F(t)
X(t)
X0(t)
ЗАФ
БУ
Y(t)
ОУ
Рис. 1.2. Принцип разомкнутого управления
1.5.2. Принцип управления по отклонению (принцип обратной связи)
(Слайд 9)
Воздействие на орган регулирования (ОР) вырабатывается как функция отклонения (t) регулируемой величины Y(t) от предписанного значения X0(t) (рис. 1.3)
(t) = X0(t) – Y(t).
8
В соответствии с (t) регулирующий орган вырабатывает воздействие
X(t)и образует отрицательную обратную связь. В идеале (t)  0.
F(t)
X(t)
Y(t)
ОУ
ОР
(t)
Рег
X0(t)
Рис. 1.3. Принцип обратной связи
1.5.3. Принцип управления по возмущению (принцип компенсации)
(Слайд 10)
Отклонение регулируемой величины Y(t) зависит от возмущения F(t). В
такой системе на регулятор возмущений (РВ) поступает такое же возмущение F(t), как и на объект управления. В результате регулятор возмущений вырабатывает компенсирующий сигнал, который преобразуется органом регулирования (ОР) в управляющее компенсирующее воздействие
X(t).
РВ
F(t)
X(t)
Y(t)
ОУ
ОР
Рис. 1.4. Принцип компенсации
9
Надежнее и достовернее работает система замкнутого цикла с использованием принципа обратной связи, называемая системой автоматического регулирования (САР).
10