Введение. Общие сведения о теории управления

Лекция №1

Говоря об управлении, речь идет об осуществлении целенаправленного воздействия на некий объект (объект управления). Объектом управления может являться живое или неживое, например, устройство, агрегат, система, комплекс. Принципы построения систем автоматического управления связаны с общими законами управления, изучение которых далеко выходит за пределы технических задач. Однако теория автоматического управления сформировалась на основе изучения процессов управления техническими устройствами.

В дальнейшем речь пойдет об основах теории автоматического управления ТАУ и теории автоматического регулирования ТАР. В основу ТАУ положена ТАР.

ТАУ базируется на: вычислительной математике, физике, электротехнике, электронике, теории вероятностей.

Принципы ТАУ используются в микропроцессорных системах, схемотехнике ЭВМ, схемотехнике АЦУ, периферийных устройствах.

Развитие теории автоматического управления связано с проблемой замены человека в различных звеньях управления производственными процессами.

ТАУ является одним из разделов технической кибернетики. Техническая кибернетика – наука об управлении техническими устройствами.

Кибернетика – это наука об оптимальном, целенаправленном управлении сложными системами. Кибернетика основывается на изучении объектов управления при внешних воздействиях, получении информации о протекании процессов и выработке воздействий, которые обеспечивают оптимальное состояние объектов управления.

Кибернетика – наука об общих законах получения, хранения, передачи и переработки информации.

Значительный вклад в становление кибернетики как науки внес советский математик А.А. Ляпунов. Так как всякое управление осуществляется посредством передачи информации, то кибернетика изучает процессы хранения, передачи, переработки и восприятия информации, способы её кодирования на разных языках, а также методы переработки информации и устройства, выполняющие эту переработку.

Определение Ляпунова: кибернетика – наука об общих закономерностях строения управляющих систем и течения процессов управления.

Основоположником кибернетики является Норберт Винер. Н. Винер в 1948 г. провозгласил понятие кибернетика. Н.Винер первый осознал и опубликовал положения об управлении в животном мире и технических устройствах. Общее в них – использование принципа отрицательной обратной связи (ООС). Для его реализации собирается информация о состоянии окружающей среды и в соответствии с целью управления организуется поведение, действие. В мире животных цель – выживание, продление рода. В технических устройствах: стабилизация напряжения, тока, скорости, температуры и т.д.

Зарождение и развитие ТАР и ТАУ связано с промышленной революцией и изобретением паровой машины, которая оказалась неустойчивой в силу её механических характеристик: чем больше пара поступает под поршень, тем быстрее перемещается вал поршня, а с другой стороны, чем быстрее перемещается вал, тем больше пара поступает и т.д. В результате машина разгоняется до поломки или пока хватает давления в паровом котле. Для устойчивости Дж. Уатт изобрел центробежный регулятор скорости: с вертикальным валом поршня вращаются со скоростью укрепленные в шарнирах трапеции грузы массой . При увеличении скорости вращения грузы под действием центробежной силы поднимаются. Перемещение используется для уменьшения сечения канала, по которому поступает пар. В результате скорость вращения вала уменьшается. Тогда грузы наоборот опускаются, и сечение канала увеличивается, что приводит к увеличению скорости вращения и т.д. Это и есть отрицательная обратная связь.

Из истории развития кибернетики как науки:

- 1765 – Регулятор уровня воды в котле. Ползунов И.И.

- 1784 – Центробежный регулятор скорости. Дж. Уатт.

- 1871 – Теория изохронного (астатического) регулятора. Чебышев П.Л.

- 1876 – Вышнеградский. Об общей теории регуляторов.

- Исследование устойчивости по уравнениям высокого порядка. Стодол (Словакия), Гурвиц. Конец 19 начало 20 вв. Параллельно в Англии по заданию Максвелла Д. К. критерий устойчивости Рауса.

- На рубеже 19 и 20 вв. Н. Е. Жуковский “Теория регулирования хода машин”.

- Конец 19 вв. Русский ученый А. М. Ляпунов. Теоремы Ляпунова применительно к задачам небесной механики – база для исследования нелинейных систем.

- После революции. Научная школа члена-корреспондента академии наук И. А. Вознесенского (работы 1922-1946 гг.). Затем академик А. А. Андронов – теория точечных преобразований. Метод малого параметра – Н. М. Крылов, А. А. Андронов, Н. Н. Боголюбов.

- 1938 – Работа Михайлова по теории линейных систем. Из теории связи критерий Найквиста (1931) перенесен в ТАУ.

- Статистические методы: академик А. Н. Колмогоров, Хинчин, американские ученые Норберт Винер, Калман.

- 50-е годы академик Л. С. Понтрягин, Р. Беллман, Р. Колман – основы современной теории автоматического управления, теории оптимальных систем.

- Институт автоматики и телемеханики Академии наук СССР: В. В. Солодовников, Я. З. Цыпкин, В. С. Пугачев, А. А. Фельдбаум.

Кибернетику подразделяют на теоретическую и техническую.

Теоретическая (математическая) кибернетика:

- теория управляющих систем (модели, логика, алгоритмы, минимизация, надежность);

- теория информации (коды, пропускная способность каналов);

- исследование операций (теория решений, теория игр, оптимальное управление);

- программирование и теория математических машин;

- математическое моделирование мыслительных процессов (распознавание образов);

- математические вопросы семиотики (семантика, смысловая сторона языка).

Техническая кибернетика:

- теория систем автоматического регулирования и следящих систем;

- теория кибернетических систем управления техническими процессами;

- технические приложения математических машин и теории конечных автоматов;

- технические приложения теории надежности к задачам анализа и синтеза кибернетических систем;

- технические приложения вероятностно-статистических методов, теории информации, теории исследования операций, теории игр;

- кибернетические методы исследования органических, биологических и биокибернетических систем;

- применение методов технической кибернетики в средствах автоматизации и в народном хозяйстве.

Определения теории автоматического управления и регулирования:

Автоматическое регулирование – поддержание некоторой постоянной заданной величины, характеризующей процесс или изменение это величины по заданному закону, осуществляемое при помощи изучения состояния объекта или действующих на него возмущений, а также воздействия на регулирующий орган.

Пример: автоматический регулятор скорости вращения вала двигателя постоянного тока (аналогично регулятор температуры, давления, напряжения и т.д.).

Автоматическое управление – автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.

Пример: автопилот самолета, система самонаведения снаряда на цель.

Управление более общий термин, чем регулирование, слежение, стабилизация. Система автоматического управления может решать любую из этих задач, но может решить совокупность такого рода задач и иметь дополнительные функции.

Управление и регулирование, если это специально не оговорено слова синонимы. Хотя управление включает в себя регулирование как одну из задач. К задачам управления также относятся слежение, стабилизация, наблюдение.

Развитие ТАУ и ТАР связано с разрешением противоречия: увеличение точности регулирования (управления) негативно сказывается на устойчивости системы: система из устойчивого состояния может перейти в граничное состояние или стать неустойчивой.

Дата добавления: 2014-01-07