Предмет теории автоматического управления

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

Появившиеся в результате первого промышленного переворота в Европе в конце XVIII века 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 веке которую в XIX веке вводили еще полуинтуитивно, и без соответствующих расчетов это не всегда давало нужный эффект. Часто вместо предполагаемого улучшения работы применение регуляторов с отрицательной об­ратной связью приводило к неожиданным техническим явлениям: неустойчивости, генерации новых движений.

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

Активное развитие новой теории началось с появлением элек­тротехнических систем, в частности электромашинных, 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, радио- и электротехнике, т. е. 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 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 A.M. Ляпунов, Е.А. Барбашин, Н.Н. Красовский и др.

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 различие 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 математической модели свойствам реального технического устройства инженеру-проектировщику приходится ее снова уточнять 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.

Основные понятия и определения

Объект управления - техническое устройство (часть окружающего мира) или процесс, поведение которого нас не устраива^ет по каким-либо причинам.

Управление - процесс воздействия на объект управления с целью изменения его поведения нужным образом.

Регулирование - частный случай управления, целью которого является приведение объекта к заданному состоянию.

Автоматический процесс - процесс, который совершается без участия человека.

Система - совокупность элементов, объединенных общим режимом функционирования. При этом элементом можно называть любое техническое устройство.

Динамическая система - система, процессы в которой изменяются с течением времени в силу собственных свойств.

Система автоматического управления (С АУ) - динамическая система, которая работает без участия человека.

Теория автоматического управления (ТАУ) - научно-техническая дисциплина, в рамках которой изучаются свойства систем автоматического управления, разрабатываются принципы расчета и построения таких систем.

Основными элементами САУ (рис. 1.1) являются:

- объект управления (ОУ);

- управляющее устройство или регулятор (Р), который сравнивает выход управляемого объекта с желаемым и в зависимо­сти от результата вырабатывает управляющий сигнал на объект.