Принципи автоматичного управління

ВСТУП

Сучасний технічний рівень у промисловості і транспорті характеризується удосконалюванням застарілих технологічних процесів і повсюдного впровадження нових високоефективних технологій. Ця задача припускає широке впровадження автоматики і засобів автоматизації, що базуються на новій елементній базі.

Особливістю автоматики як наукової дисципліни є спільність математичного опису і практичне застосування закономірностей у системах різноманітної фізичної природи - механічних, пневматичних, гідравлічних, електричних, електронних і т.д. У результаті цього знання основ теорії автоматичного керування необхідно інженерно-технічним працівникам переважної більшості спеціальностей.

Робота будь-яких автоматичних систем, від найпростіших до самих складних базується на тих самих основних принципах. Чітке розуміння їхньої сутності і знання основ теорії автоматичного керування є необхідною умовою для правильного розуміння принципу дії, особливостей побудови й експлуатації будь-яких автоматичних пристроїв. Даний підхід покладено в основу побудови учбового посібника.

Учбовий посібник з "Теорії автоматичного керування" включає в собі розділи з лінійних безперервних, лінійних імпульсних і нелінійних безперервних систем.

ПРИНЦИПИ АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ

1.1 Короткий історичний нарис розвитку автоматики

Ідея створення машин, що працюють “самі по собі”, без участі людини, виникла дуже давно. Але поява перших автоматичних пристроїв промислового призначення пов’язана з винаходом і розвитком парових машин та турбін. Широке промислове застосування парових машин стало багато в чому можливим лише з оснащенням їх такими автоматичними пристроями як автоматичний парарозподільчий механізм, регулятор рівня води в котлі парової машини, регулятор обертів вихідного вала машини і т.д. Винахід першого в світі промислового регулятора припадає на 1765 р. і належить знаменитому російському механіку І.І. Ползунову. Цим регулятором був регулятор, що автоматично піддержував заданий рівень води в котлі парової машини незалежно від інтенсивності відбору пару. В 1784р. англійський механік Джеймс Уатт одержав патент на центробіжний регулятор швидкості парової машини.

Запропонований І.І. Ползуновим принцип регулювання по відхиленню до нашого часу остається одним із основних принципів побудови різних автоматичних пристроїв. Схема регулятора Ползунова приведена на рис.1.1. Прин

цип дії регулятора полягає в наступному. На поверхні води в котлі парової машини розміщено поплавок 1 який через систему важілів зв’язаний з клапаном 2 вхідного трубопроводу 3. Коли рівень води в котлі дорівнює заданій величині h вихід трубопроводу 3 перекрито клапаном 2. При зниженню рівня води, по мірі відбору пари, поплавок 1 переміщуючись разом з поверхнею води через систему важілів відкриває клапан 2. Регулюванням положення клапана відносно трубопроводу автоматично піддержується заданий рівень води в котлі.

Автоматичні пристрої для забезпечення заданих параметрів парових двигунів та турбін довгий час були основними представниками автоматичних регуляторів промислового призначення. Починаючи з другої половини ХІХ століття велику роль в розвитку автоматики відіграло зародження промислової електротехніки. Застосування електрики значно розширило можливості побудови складних автоматичних пристроїв. Одним з перших електричних автоматів був електромагнітний регулятор швидкості обертання вала парового двигуна, розроблений в 1854 р. К.І. Константиновим.

Проектування перших автоматичних пристроїв велось емпірічним шляхом і супроводжувалось багатьма невдачами. Основи наукового підходу до проектування автоматичних регуляторів було закладено професором Петербургського технологічного інституту (І.А.)Вишнеградським (1831-1895), роботи якого “ Об общей теории регуляторов”, “О регуляторах прямого действия”, що були опубліковані в 1876 р., поклали початок теорії автоматичного управління і регулювання. Однак і після цього розвиток теорії автоматично діючих пристроїв в різних областях техніки продовж значного часу протікав незалежно один від одного. Великий вклад в теорію автоматичного регулювання внесли роботи зв'язані із стійкістю автоматичних систем. Засновником строгої теорії стійкості є професор Харківського університету академік (А.М.) Ляпунов (1857-1918). Особливо інтенсивно теорія автоматичного регулювання почала розвиватись з кінця тридцятих років ХХ століття, коли були розроблені частотні методи аналізу стійкості лінійних систем, поставлена проблема якості регулювання та закладено основи ефективних методів дослідження нелінійних систем. Ясне розуміння тієї обставини, що робота любих автоматичних пристроїв, незалежно від їх природи та призначення, основана на загальних принципах і може бути розглянута з єдиної позиції, прийшло значно пізніше – в сорокових роках ХХ століття. На цей час припадає і закінчення формування автоматики в самостійну наукову дисципліну. В подальшому суттєвий розвиток одержала теорія лінійних систем. Так, були розроблені методи оцінки якості перехідних процесів та динамічної точності систем. Розроблена теорія дискретних систем автоматичного регулювання. Одержали подальший розвиток методи дослідження нелінійних систем. Одержані основні результати в теорії інваріантності в яких сформульовані критерії реалізації умов інваріантності. Наряду з цим виникли нові наукові напрямки: теорія оптимальних систем, що самонастроюються; теорія розпізнавання образів; теорія чутливості.

В результаті злиття теорії автоматичного регулювання з теорією інформації та теорією обчислюваних машин виник новий напрямок в науці – теорія автоматичного управління. Формування цієї теорії є новим етапом розвитку автоматики.

В розвиток автоматики як науки визначний внесок зробили П.Л.Чебишев, Б.В.Булгаков, А.В.Михайлов. Значний вклад в розвиток сучасної науки про управління внесли Б.Н.Петров, Є.П.Попов, В.В.Солодовніков, Я.З.Ципкін, В.П.Шипілло.

Слідує зазначити, що методи дослідження які розроблені в теорії автоматичного управління і регулювання є загальними, область застосування яких виходить за межі дисципліни. Принципи управління (регулювання) по яким будуються технічні системи мають універсальний характер. Аналогічні принципи (наприклад принцип зворотного зв’язку) є властивим регуляційним системам живих організмів, системам управління виробництвом та суспільством. Тому вивчення теорії автоматичного управління і регулювання в наш час є необхідним для спеціалістів не тільки в області автоматики, а і в других напрямках.