Краткий очерк истории развития систем автоматического управления
В истории развития САУ можно условно выделить четыре исторических периода:
• греческая и арабская цивилизации (III век до н. э.—1200 год н. э.);
• промышленная революция в Европе (с третьей четверти XVIII века, хотя корни ее прослеживаются и в начале XVII века);
• начало массовых коммуникаций (1910—1945);
• век освоения космоса, компьютерный век (с 1957 г. по наши дни).
Простейшие автоматические регуляторы и устройства применялись еще до новой эры. Известно, что системы регулирования с обратной связью применялись в III веке до нашей эры, например, для автоматического регулирования уровня воды в водяных часах с помощью поплавкового регулятора, чтобы повысить точность их показаний. Водяные часы представляют собой два резервуара. В первом резервуаре водяных часов уровень воды должен бытьпостоянным, постоянство его иподдерживает поплавковой регулятор.Этот постоянный уровень обеспечивает постоянство расхода водыво второй резервуар через трубу, расположенную в днище первогорезервуара. Уровень воды во втором резервуаре, таким образом,зависел от времени истечения воды из первого резервуара. Так былреализован принцип регулирования с обратной связью. Поплавковыерегуляторы использовались для регулирования уровня масла влампах для освещения, для дозированного разлива вина.
В средние века применялись центробежные регуляторы хода водяных мукомольных мельниц. В 1657 г. X. Гюйгенс предложил маятниковый регулятор хода для механических часов. В это же время были изобретены регуляторы температуры (для поддержания температуры при плавке металлов в печах; в инкубаторах для выведения цыплят — 1624 г.). В конце XVIII века в Америке регуляторы температуры применяются в химических печах, в производстве стали и фарфора.
Появление паровых машин приводит к изобретению регуляторов давления. В 1681г. изобретен первый предохранительный клапан для сброса давления пара. К первым промышленным регуляторам относят автоматический поплавковый регулятор уровня в паровом котле паровой машины, построенной в 1765 г. И.И. Ползуновым, и центробежный регулятор скорости для стабилизации угловой скорости вращения вала паровой машины, сконструированный Д. Уаттом (1788).
Вновь пробуждается интерес к регуляторам уровня. Слесарь Томас Креппер за изобретения сливных бачков с регуляторами уровня в 1775 г. возводится в рыцарское достоинство английской королевой Викторией.
Большой вклад в разработку и создание регуляторов для различных целей внесли русские ученые И.А. Вышнеградский, Н.Е. Жуковский, A.M. Ляпунов и др.
Исследования И.А. Вышнеградского и Д. К. Масквелла в области устойчивости и качества процессов регулирования положили начало развитию теории автоматического регулирования.
Отправной точкой предыстории теории автоматического управления можно считать 1868 г., когда Д.К. Максвелл выполнил первый строгий математический анализ устойчивости системы управления с обратной связью. Он исследовал влияние параметров системы на устойчивость и показал, что система устойчива, если корни характеристического уравнения имеют отрицательные действительные значения. Независимо от Д.К. Максвелла в 1877 г. И.А. Вышнеградский исследовал устойчивость регуляторов. В 1893 г. А. Б. Стодола впервые вводит понятие постоянной времени системы и предлагает оценивать устойчивость системы по устойчивости характеристического уравнения. В 1892 г. A.M. Ляпунов опубликовал в России свое знаменитое сочинение «Общая задача об устойчивости движения». На Западе теория устойчивости по Ляпунову становится известной лишь в 1960 г. и получает свое признание. В 1892—1898 гг. английский инженер О. Хевисайд исследует переходные характеристики систем, вводя понятие передаточной функции.
В 1909 г. в России издается первый русский учебник по теории регулирования Н.Е. Жуковского «Теория регулирования хода машин».
В 1932 г. американский ученый X. Найквист предложил для оценки устойчивости систем частотный критерий устойчивости. В 1940 г. X. Боде исследовал устойчивость замкнутых систем, используя такие понятия, как коэффициент усиления и запас устойчивости по фазе. Н. Минорский (1922), рассматривая нелинейные эффекты в замкнутых системах, впервые использует пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор. X. Хазен (1934) опубликовал теорию сервомеханизмов (исполнительных механизмов).
До 50-х годов прошлого века классической теорией автоматического регулирования (ТАР) было принято называть теорию устойчивости и качества процессов в системе объект—регулятор, базирующуюся на рассмотрении обыкновенных, преимущественно линейных, дифференциальных уравнений. ТАР тесно соприкасается с теорией устойчивости движения «в малом» А.М. Ляпунова, но имеет выраженную инженерную направленность.
В конце 50-х—начале 60-х годов появляются работы Л.С. Понт-рягина, Р. Беллмана, Р. Калмана, которые заложили основы современной теории автоматического управления. Использование математических моделей не только на стадии проектирования, но и в процессе функционирования систем является одной из характерных черт современной теории автоматического управления. Важным разделом современной теории автоматического управления является оптимальное (и субоптимальное) оценивание параметров и характеристик по экспериментальным данным — идентификация.
Автоматическое регулирование и управление перестает быть скорее искусством и становится наукой с появлением электронной вычислительной техники.
Первая электронная вычислительная машина (ЭВМ) была создана в 1945 г. в США под руководством американских ученых Дж.В. Моучли и Д.П. Эккерта и предназначалась для расчета баллистических таблиц (машина была построена по заказу артиллерийского управления). ЭВМ содержала 18 тысяч электронных ламп и потребляла 150 кВт. Быстродействующая электронная счетная машина (БЭСМ) была сконструирована в начале 50-х годов прошлого века в СССР коллективом ученых, во главе которых стоял академик С.А. Лебедев.
В 1960 г. разработано второе поколение компьютеров с использованием полупроводниковой технологии. С 1965 г. начинает развиваться миникомпьютерная технология, а в 1969 г. В. Хофф изобрел микропроцессор. В 1970—1980-е годы получает развитие идея об использовании цифровых компьютеров для управления в промышленности, особенно химической. Основная мотивация такого подхода — развитие ядерной технологии. К 1983 г. появляются первые персональные компьютеры. Проектирование современных систем управления при наличии прикладных пакетов компьютерных программ, включая такие, как ORACLS, Program CC, Control-C, PC-Matlab, MATRIXX, Easy5, SIMNON и др., становится доступным для рядового инженера.
Американский ученый Норберт Винер (1894—1964) был одним из создателей кибернетики (от греч. kibernos — рулевой, кормчий) — науки об общих законах управления. Кибернетика стала теоретической базой создания и внедрения автоматизированных систем управления (АСУ).