В основных направлениях экономического и социального развития становится задача развивать производство электронных устройств регулирования и телемеханики, исполнительных механизмов, приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов, агрегатов, машин и оборудования.

    Опыт, накопленный при создании автоматизированных и автоматических систем управления, показывает, что управление различными процессами основывается на ряде правил и законов, часть из которых  оказывается общей для технических устройств, живых организмов и общественных явлений. Изучение процессов управления, получения, преобразования информации в технических, живых и общественных системах составляет предмет кибернетики, важным разделом который является техническая кибернетика, включая анализ информационных процессов управления техническими объектами, синтез алгоритмов управления и создание систем управления, реализующих эти алгоритмы.

    Техническая кибернетика  призвана решать задачи теоретического анализа и развития методов технического конструирования элементной базы систем управления. Выделение этого раздела технической кибернетики в самостоятельную научную дисциплину «Элементы систем автоматического управления и контроля» явилось следствием накопления большого объёма материала, посвященного исследованиям различных устройств автоматики и его систематизации, которая впервые в нашей стране проведена

чл.-кор. АН  СССР Б.С.Сотсковым.

1. История развития

     Теория автоматического регулирования и управления относится к числу научных дисциплин, образующих в совокупности науку об управлении. В начале она создавалась с целью изучения закономерностей в процессах автоматического управления техническими процессами - производственными, энергетическими, транспортными и т.п. . В настоящее время основное значение тиория автоматического регулирования и управления имеет для изучения технических процессов, хотя в последние годы её выводами и результатами начинают пользоваться для изучения динамических свойств систем управления не только технического характера.

     Для осуществления автоматического управления создаётся система, состоящая из управляющего объекта и тесно связанного с ним управляющего устройства. Как и всякое техническое сооружение,  систему управления стремятся создать как бы конструктивно жёсткой, динамически «прочной». Эти чисто механические термины довольно условны и употреблены здесь в том смысле, что система должна быть способна выполнять предписанную ей программу действий, несмотря на неизбежные помехи со стороны внешней среды.

    Впервые, по-видимому, с необходимостью построения регуляторов столкнулись создатели высокоточных механизмов, в первую очередь - часов. Даже небольшие, всё время действующие в них помехи приводили в конечном итоге к отклонениям от нормального хода, недопустимым по условиям точности. Противодействовать этим помехам чисто конструктивными средствами, например, улучшая обработку деталей, повышая их массу или увеличивая развиваемыми устройствами полезные усилия, не удавалось, и для решения проблемы точности в состав системы стали вводить регуляторы. На рубеже нашей эры арабы снабдили поплавковым регулятором уровня водяные часы. Гюйгенс в 1657 году встроил в часы маятниковый регулятор хода.

    Ещё одной причиной, побуждавшей строить регуляторы, была необходимость управлять процессами, протекавшими при наличии столь сильно изменяющихся помех, в первую очередь нагрузки, что при этом утрачивалась не только точность, но и работоспособность системы. Предвозвестниками регуляторов для подобных условий можно считать применявшиеся ещё в средние века регуляторы хода водяных мукомольных мельниц с центробежными маятниковыми элементами. Хотя отдельные автоматические регуляторы появлялись данные времена, они оставались любопытными для истории техники эпизодами и сколь-нибудь серьёзного влияния на формирование техники и теории автоматического регулирования не оказали. Развитие промышленных регуляторов началось лишь на рубеже XVIII и XIX столетий, в эпоху промышленного переворота в Европе. Первыми промышленными регуляторами этого периода являются автоматический поплавковый регулятор питания котла паровой машины, построенный в 1765 г.

И.И.Ползуновым, и центробежный регулятор скорости паровой машины, на который в 1784 г. Получил потент Дж. Уатт. Эти регуляторы как бы открыли путь потоку предложений по принципам регулирования и изобретений регуляторов, продолжавшемуся на протяжении XIX в. В этот период появились регуляторы с воздействием по скорости (Сименса), по нагрузке (Понселе), сервомоторы с жёсткой обратной связью (Фарко), регуляторы с гибкой обратной  связью (изодромные), импульсные регуляторы «на отсечку пара», вибрационные электрические регуляторы и т.п.

    Паровая машина не случайно стала первым объектом для промышленных регуляторов, так как она не обладала способностью устойчиво работать сама по себе, т.е. не обладала «самовыравниванием». Её неприятные динамические особенности часто приводили к неприятным неожиданностям, когда подключённый к машине регулятор действовал не так, как ожидал конструктор: «раскачивал» машину или вообще оказывался неспособным управлять ею. Всё это, естественно, побуждало к проведению теоретических исследований . Публикация этих исследований начинается с 30-х годов (первая известная публикация Д.С.Чижова. была в 1823 году). Однако до конца 60-годов теоретические исследования регуляторов отличаются тем, что сегодня называется «отсутствием системного подхода». Часть авторов ещё не видит, что в технике возникло принципиально новое направление; они считают, что регуляторы - лишь некоторая разновидность, приборное исполнение «модераторов», «уравнителей хода», классическим представителем которых были насаживаемые на вал машины маховики. В некоторых из этих работ считается, что регулятор действует идеально, не обладая собственной инерцией. Шагом вперёд были работы, учитывавшие динамику  регулятора, но и в них регулятор рассматривался отдельно от машины. Авторы добивались хорошего «успокоения» колебаний самого регулятора, считая, что это достаточно и для успокоения колебаний машины. При таком подходе теоретические исследования не могли стать фундаментом  новой науки и были лишь дополнительными проработками в рамках прикладной механики, придатком к её разделу о паровых машинах.

    Коренное изменение в подходе к проблеме и в методологию исследования внесли три фундаментальные теоретические работы, содержавшие в себе, по существу, изложение основ новой науки: работа Д.К.Максвелла

«О регуляторах» (1866) и работы И.А.Вышнеградского «Об общей теории регуляторов» (1876) и «О регуляторах прямого действия» (1877). Д.К.Максвелл и И.А.Вышнеградский осуществили системный подход к проблеме, рассмотрев регулятор и машину как единую динамическую систему. Они смело упростили задачу, перейдя к исследованию малых колебаний и линеаризовав сложные дифференциальные  уравнения системы, что позволило дать общий методологический подход к исследованию самых разнородных по физике и конструкции систем, заложить основы теории устойчивости, особенно актуальной для того времени, и установить ряд важных общих закономерностей регулирования по принципу обратной связи.

   Исключительно важную роль в то время сыграла работа И.А.Вышнеградского, отличавшаяся глубоким инженерным подходом, рассмотрением самых злободневных для техники тех лет объектов и содержавшая кроме ценных практических рекомендаций также истоки ряда современных методов исследования устойчивости и качества регулирования (диаграммы устойчивости и распределения корней, выделение областей устойчивости и монотонности и др.). именно И.А.Вышнеградский является основоположником теории автоматического регулирования.

    Глубокая работа Д.К.Максвелла осталась в то время малозамеченной, т.к. она рассматривала нехарактерный объект, явно полезных практических выводов не делала и даже по умозрительным выводам рекомендовала практически непригодные для машин того времени астатические регулятора. Её роль была оценена позднее, когда теория автоматического регулирования уже сформировалась в самостоятельную научную дисциплину.

    Уже в те годы теория регулирования стала стимулировать разработки математического плана. По призыву Д.К.Максвелла Раус разработал алгоритм для оценки расположения корней характеристического уравнения и устойчивости. По просьбе А.Стодолы вывел детерминантный критерий устойчивости Гурвиц.

    Работы словацкого инженера и учёного А.Стодолы занимают видное место в теории устойчивости регулирования паровых и гидравлических турбин. Он попытался учесть влияние длинного трубопровода на процесс регулирования и получил при этом интересный результат.

    Крупный вклад в теорию регулирования внесён Н.Е.Жуковским, автором труда  «О прочности движения » и первого русского учебника «Теория регулирования хода машин» (1909). Н.Е.Жуковский дал математическое описание процессов в длинных трубопроводах, рассмотрел влияние сухого трения в регуляторах, исследовал некоторые процессы импульсного регулирования.

    В первые десятилетия XX века теория автоматического регулирования, вышедшая из рамок прикладной механики, формируется как общетехническая дисциплина. В этот период появляется целый ряд работ, рассматривающих приложение теории и распространяющей её выводы на самые разнообразные технические процессы. Особенно чётко мысль о теории регулирования, как дисциплине общетехнического характера, проводится в ряде работ И.Н.Вознесенского (1922-1949), руководителя одной из  крупных советских школ в этой области.

    Изменение автоматически управляемых систем, связанные с повышением интенсивности процессов, усложнения структуры и повышением требований, предъявляемых к скорости протекания, точности и качеству процессов, приводят к необходимости создания более эффективных аналитических методов исследования систем. Мысль исследователей обращается к частотным методам, позволяющим сочетать тонкие аналитические и наглядные графические приёмы, теоретические и экспериментальные методы исследования. Первые шаги в этом направлении делаются в предвоенные годы. Появляются работа Х.Найквиста (1932), в которой предлагался критерий устойчивости радиотехнических усилителей с обратной связью, основанный на свойстве частотной характеристики разомкнутой системы, и работа А.В.Михайлова  «Гармонический метод в теории регулирования» (1938), открывшая новый этап в теории регулирования; в последней обосновалась целесообразность использования частотных методов в теории регулирования и предлагались новые методы, в честности «критерий Михайлова», не требующий предварительного размыкания цепи регулирования. В послевоенный период частотные методы быстро вошли в практику. В 1946 году Г.Боде. и Л.Мак Кол ввели логарифмические частотные характеристики. Флойд для исследования качества предложил приближённую разбивку вещественной частотной характеристики на трапеции. Г.Браун, А.Холл, Д.Кемпбелл, Г.Честнат, А.В.Михайлов, В.В.Солодовников и др. Завершили разработку частотных методов синтеза и расчёта систем, придав им форму, удобную для инженерных расчётов.

    В эти же годы усилия исследователей направляются на разработку общих основ теории нелинейных  систем. Трудность проблемы заключалась в том, что не существовало единого общего математического аппарата для решения нелинейных задач. Продвинуться в этом направлении удалось тогда, когда из множества частных видов нелинейных систем были выделены для исследования узкие с математической точки зрения, но достаточно широкие в практических приложениях классы - системы, в которых выделяется две связанные части:  общая (линейная) часть и безынерционный элемент с нелинейной статической характеристикой; частный вид этого класса - кусочно-линейные системы с релейным нелинейным элементом (или кусочно-линейной статической характеристикой). Подавляющее большинство работ рассматривает эти классы систем, хотя в отдельных работах встречаются и другие системы.

    Одно из важных направлений исследования устойчивости нелинейных систем, основывающееся на работах А.М.Ляпунова (1896) , развивалось в СССР в работах Н.Г.Четаева (1945), А.И.Лурье (1944-1951), А.М.Лётова (1955) и др.

    Завершающим этапом  развития этого направления можно считать разработку теории абсолютной устойчивости. Проблема была выдвинута в работах А.И.Лурье и В.Н.Постникова (1944), в более отчётливой постановке - М.А.Айзерманом (1949,1963), и доведена до изящного решения румынским учёным В.М.Поповым (1959), в котором использовались частотные представления, В.А.Якубовичем и др.

    Большое значение для качественного исследования нелинейных систем имеют методы, базирующиеся на представлении переходных процессов траекториями в фазовых плоскости и пространстве. Основы направления были заложены А.А.Андроновым и его школой в 30 - 40-е годы. Метод фазовой плоскости, обладая большой наглядностью и глобальным охватом всех возможных движений, несмотря на ограниченность главным образом уравнениями второго и третьего порядков, вскрыл ряд специфических особенностей процессов в нелинейных системах - наличие предельных циклов, скользящих режимов, захватывание колебаний и т.п. Сочетание фазовых представлений с аналитическими методами дало возможность предложить и исследовать новый важный класс систем с переменной структурой, сохраняющих высокое качество работы в условиях значительных изменений параметра объекта (С.В.Емельянов и др., 60-е годы). Работа в этом направлении удостоена Ленинской премии в 1971 г.

    Я.З.Цыпкиным были разработаны основы теории релейных (1955) и импульсных (60-е годы) систем с различными видами модуляции. Цикл этих работ удостоен Ленинской премии в 1960 г.

    Для определения параметров автоколебаний приближенными методами Н.М.Крыловым и Н.Н.Боголюбовым был разработан метод гармонического баланса (1934). Л.С.Гольдфарбом был преложен графо-аналитический метод нахождения частоты и амплитуды основной гармоники автоколебаний с помощью частотных характеристик. Дальнейшее развитие этот метод получил развитие в работах Е.П.Попова и др.

    Развитие теории автоматического регулирования в послевоенные годы было исключительно интенсивным и многогранным. Даже упомянуть о многих направлениях и авторах в коротком обзоре не представляется возможным. Ограничимся перечислением основных новых разделов, которым посвящены разработки новых фундаментальных принципов управления, выполненные советскими авторами. В трудах Г.В.Щипанова, В.С.Кулебакина, Б.Н.Петрова и других были разработаны теория автоматического регулирования по возмущению, теория компенсации возмущений и инвариантности.

    В.В.Казакевичем, А.П.Юркевичем, А.А.Фельдбаумом, А.А.Красовским и другими были сформулированы и исследованы принципы экстремального управления и разработана теория экстремальных систем и поиска дуального управления, осуществляющего поиск показателя экстремума качества работы системы. Работами А.А.Фельдбаума, Л.С.Понтрягина, Н.Н.Красовского и многих других созданы теории оптимального управления, в которых исследуются управляющие воздействия, обеспечивающие максимальное значение функционала, выражающего технико-экономическую эффективность динамического процесса управления. Разработка теории экстремальных и оптимальных принципов управления дала основание расширить название курса «Теория автоматического регулирования», назвав его «Теория автоматического регулирования и управления», поскольку рассматриваемые виды управления не ограничиваются только регулированием.

    Значение теории автоматического управления в настоящее время переросло в рамки непосредственно технических систем. Динамически управляемые процессы имеют место в живых организмах, в экономических и организационных человеко-машинных системах. Законы динамики в них не являются основными и определяющими принципы управления, как это свойственно техническим системам, но тем не менее их влияние зачастую существенно и отказ от их учёта приводит к крупным потерям. В автоматизированных системах управления (АСУ) технологическими процессами роль динамики бесспорна, но она становится всё более очевидной и в других сферах действия АСУ по мере расширения их не только информационных, но и управляющих функций.

2. Основные понятия.

2.1.Фундаментальные принципы управления.

    Целенаправленные процессы, выполняемые человеком для удовлетворения различных потребностей, представляет собой организованную и упорядоченную совокупность действий - операций, которые делятся на два основных вида: рабочие операции и операции управления. К рабочим операциям относятся действия, непосредственно необходимые для выполнения процесса в соответствии с теми природными законами, которыми определяется ход данного процесса, например, снятие стружки в процессе резанья изделия на станке, перемещение экипажа, вращение вала двигателя и т.п. Для облегчения и усовершенствования рабочих операций используются различные технические устройства, частично или полностью заменяющие человека в данной операции. Замена труда человека в рабочих операциях называется механизацией. Цель механизации состоит в высвобождении человека в тяжёлых операциях, требующих больших затрат физической энергии (земляные работы, подъём грузов), во вредных операциях (химические, радиоактивные процессы), в «рутинных» (однообразных, утомительных для нервной системы) операциях (завинчивание однотипных винтов при сборке, заполнение типовых документов, выполнение стандартных вычислений и т.п.).

    Для правильного и качественного выполнения рабочих операций необходимы сопровождающие их действия другого рода - операции управления, посредством которых обеспечиваются в нужные моменты начало, порядок следования и прекращение рабочих операций, выделяются необходимые для их выполнения ресурсы, придаются нужные параметры самому процессу - направления, скорости, ускорения рабочему инструменту или экипажу; температура, концентрация химическому процессу и т.д. Совокупность управляющих операций образует процесс управления .

    Операции управления так же частично или полностью могут выполняться техническими устройствами. Замена труда человека в операциях управления называется автоматизацией , а технические устройства, выполняющие операции управления, - автоматическими устройствами . Совокупность технических устройств (машин, орудий труда, средств механизации), выполняющих данный процесс, с точки зрения управления является объектом управления  . Совокупность средств управления и объекта образует системы управления. Система, в которой все рабочие и управляющие операции выполняются автоматическими устройствами без участия человека, называются автоматической системой. Система, в которой автоматизирована только часть операций управления, а другая часть (обычно наиболее ответственная) выполняется людьми, называется автоматизированной (или полуавтоматической) системой.

    Круг объектов и операций управления весьма широк. Он охватывает технологические процессы и агрегаты, группы агрегатов, цехи, предприятия, человеческие коллективы, организации и т.д.

Объекты управления и виды воздействия на них.

      Объекты, в которых протекает управляемый процесс, будем называть объектами управления. Это разнообразные технические устройства и комплексы, технологические или производственные процессы. Состояние объекта можно характеризовать одной или несколькими физическими величинами, называемыми управляемыми или регулируемыми переменными. Для технического устройства, например, электрического генератора, регулируемой переменной может быть напряжение на его выходных клеммах; для производственного участка или цеха - объём выпускаемой им промышленной продукции.

    Как правило, к объекту управления приложено два вида воздействий: управляющие - r(t) и возмущающее f(t); состояние объекта характеризуется переменной x(t):

Изменение регулируемой величины x(t) обусловливается как  управляющим воздействием r(t), так и возмущающим, или помехой f(t). Дадим определение этим воздействиям.

    Возмущающим называется такое воздействие, которое нарушает требуемую функциональную связь между регулируемыми или управляемыми переменными и управляющим воздействием. Если возмущение характеризует действие внешней среды на объект, то оно называется внешним. Если это воздействие возникает внутри объекта за счёт протекания нежелательных, но неизбежных  процессов при его нормальном функционирование, то такие возмущения называются внутренними.

    Воздействия, прикладываемые к объекту управления с целью изменения прикладываемой величины в соответствии с требуемым законом, а также для компенсации влияния возмущений на характер изменения управляемой величины, называются управляющими.

    Основная цель автоматического управления любым объектом или процессом состоим в том, чтобы непрерывно поддерживать с заданной точностью требуемую функциональную зависимость между управляемыми переменными, характеризующими состояние объекта и управляющими воздействиями в условиях взаимодействия объекта с внешней средой, т.е. при наличии как внутренних, так и внешних возмущающих воздействий. Математическое выражение этой функциональной зависимости называется алгоритмом управления.

    Понятие об элементе системы.

    Любой объект управления сопряжён с одним или несколькими регуляторами, формирующими управляющие воздействия, подаваемые на регулирующий орган. Объект управления совместно с управляющим устройством, или регулятором, образуют систему  управления или регулирования. При этом, если человек не участвует в процессе управления, то такая система называется системой автоматического управления.

     Регулятор системы представляет собой комплекс устройств, соединённых между собой в определённой последовательности и осуществляющих реализацию простейших операций над сигналами. В связи с этим оказывается возможным произвести декомпозицию (расчленение) регулятора на отдельные функциональные элементы - простейшие конструктивно-целостные ячейки, выполняющие одну определённую операцию с сигналом.

    К таким операциям следует отнести:

1)  преобразование контролируемой величины в сигнал;

2)  преобразование: а) сигнал одного рода энергии в сигнал другого рода энергии; б) непрерывного сигнала в дискретный и обратно; в) сигнала по величине энергии; г) виды функциональной связи между выходными и входными сигналами;

3)  хранение сигналов;

4)  формирование программных сигналов;

5)  сравнение контрольных и программных сигналов и формирование сигнала рассогласования;

6)  выполнение логических операций;

7)  распределение сигнала по различным каналам передачи;

8)  использование сигналов для воздействия на объект управления.

    Перечисленные операции с сигналами, выполняемые элементами систем автоматического управления, используются в дальнейшем как основа систематизации всего многообразия элементов автоматики, применяемого в различных по характеру, назначению и принципу действия системах, т.е. порождённого многообразием автоматических систем управления и контроля.        

    Чтобы осуществлять автоматическое управление или строить систему управления, нужны знания двоякого вида: во-первых, конкретные знания данного процесса, его технологии и, во-вторых, знания принципов и методов управления, общих для самых разнообразных объектов и процессов. Конкретные специальные знания дают возможность установить, что и, главное, как следует изменять в системе, чтобы получить требуемый результат.

    При автоматизации управления техническими процессами возникает необходимость в различных группах операций управления. К одной из таких групп относится операция начала (включения), прекращения (отключения) данной операции и перехода от одной операции к другой (переключения).

    Для правильного и качественного ведения процесса некоторые из его координат - управляемые - должны поддерживаться в определённых границах или изменяться по определённому закону.

    Другая группа операций управления связана с контролем за координатами с целью установления допустимых границ. Эта группа операций состоит в измерении значений координат и представления результатов измерения в удобной для человека-оператора форме.

    Третья группа операций управления - операции по поддержанию заданного закона изменения координат - изучается в теории автоматического управления.

    Всякий объект, обладающий массой, является динамическим, поскольку под действием внешних сил и моментов (конечной величины) со стороны объекта возникает соответствующая реакция его положения (или состояния) не может быть изменено мгновенно. Переменные x, u и f (где x - совокупность управляемых координат процесса, u - воздействия или управления, прикладываемые к объекту, и f - возмущения действующие на вход объекта) в динамических объектах обычно связаны между собой дифференциальными, интегральными или разностными уравнениями, содержащими в качестве независимой переменной время t .

    Изменения координат в нормальном, желаемом процессе определяется совокупностью правил, предписаний или математических зависимостей, называемых алгоритмом функционирования системы. Алгоритм функционирования показывает, как должна изменяться величина x(t) по требованиям технологии, экономики или по другим соображениям. В теории автоматического управления алгоритмы функционирования считаются заданными.

    Динамические свойства и форма статических характеристик вносят искажения: действительный процесс будет отличаться от желаемого (который, например, при тех же воздействиях имел бы место в безынерционном линейном объекте). Поэтому требуемый закон изменения управления u , или алгоритм управления, не будет подобным алгоритму функционирования; он будет зависит от алгоритма функционирования, динамических свойств и характеристик объекта. Алгоритм управления показывает, как должно изменяться управление u, чтобы обеспечить заданный алгоритм функционирования. Алгоритм функционирования в автоматической системе реализуется с помощью управляющих устройств.

    В основе используемых в техники алгоритмов управления лежат некоторые общие фундаментальные принципы управления, определяющие, как осуществляется увязка алгоритма управления с заданным и фактическим функционированием, или с причинами, вызвавшие отклонения. Используется три фундаментальных принципа: разомкнутого управления, обратной связи и компенсации.

  2.2.  Принцип разомкнутого управления.

    Сущность принципа состоит в том, что алгоритм управления строится только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируется по фактическому значению управляемой величины.

   2.3. Принцип управления по отклонению

 (принцип обратной связи).

   Этот принцип является одним из наиболее ранних и широко распространённых принципов управления. В соответствии с ним воздействие на регулирующий орган объекта вырабатывается как функция отклонения регулируемой величины от предписанного значения.

    Обратную связь можно обнаружить во многих процессах в природе. Примерами могут служить вестибулярный аппарат, обнаруживающий отклонения тела от вертикали и обеспечивающий поддержание равновесия, системы регуляции температуры тела, ритма дыхания и т.п. В общественных учреждениях обратная связь при управлении устанавливается посредством осуществления контроля исполнения. Принцип обратной связи является весьма универсальным фундаментальным принципом управления, действующим в технике, природе и обществе.

2.4.  Принцип регулирования по возмущению

(принцип компенсации).

    Так как отклонение регулируемой величины зависит не только от управления, но и возмущающего воздействия, то в принципе можно сформулировать закон управления так, чтобы в установившемся режиме отклонение отсутствовало.

    Принцип регулирования паровой машины по моменту сопротивления на её валу был предложен в 1930 г. французским инженером И.Понселе, однако реализовать это предложение на практике не удалось, поскольку динамические свойства паровой машины (наличие астатизма) не допускали непосредственного использования принципа компенсации. Но в ряде других технических устройств принцип компенсации использовался давно. Примечательно, что его использование в статике не вызывало сомнений, попытка же Г.В.Щипанова в 1940 г. Предложить принцип инвариантности по возмущению для ликвидации отклонений в динамике вызывала резкую дискуссию и обвинения в нереализуемости предложения. В.С.Кулебакин в 1948г. и Б.Н.Петров в 1955 г. показали, как следует строить системы, чтобы можно было реализовать в них принцип инвариантности. В 1966 г. предложенный Г.В.Щипановым принцип инвариантности был зарегистрирован как открытие с приоритетом - апрель 1939 г. Тем самым была исправлена ошибка его оппонентов, состоявшая в том, что отрицалась реализуемость принципа инвариантности вообще.

    Системы регулирования по возмущению в сравнении с системами, действующими по отклонению, отличаются обычно большими устойчивостью и быстродействием. К их недостаткам относятся трудность измерения нагрузки в большинстве систем, неполный учёт возмущений (компенсируются только те возмущения, которые измеряются). Так, при компаундировании электрической машина не компенсируются колебания напряжения сетей, питающих гонный двигатель и обмотки возбуждения, колебания сопротивлений обмоток от изменения температуры и др. Во многих случаях весьма эффективно применение комбинированного регулирования по возмущению и отклонению, широко используемое для регулирования напряжения мощных синхронных генераторов на крупных электростанциях (компаундирование с коррекцией). Комбинированные регуляторы объединяют достоинства двух принципов, но, естественно, конструкция их сложнее, а стоимость выше.

    3. Основные виды алгоритмов функционирования.

    С давних времён в системах автоматического управления использовался алгоритм функционирования, называемый стабилизацией - поддержанием постоянного заданного значения регулируемой величены. Позднее появились алгоритмы типа программного управления - поддержания заданной функции времени - и следящего управления - воспроизведения неизвестной заранее функции.

    В последние десятилетие появились новые, более тонкие алгоритмы функционирования. Рассмотрим основные из них.

3.1. Поиск  экстремума  показателя качества

(экстремальное управление)

     В ряде процессов показатель качества, или эффективность, выражается в каждый момент времени функцией текущих координат системы. При этом управление может считаться нормальным, если оно обеспечивает удержание показателя качества в точке максимума. Примером может служить настройка приёмной станции на частоту передающей по наибольшей громкости приёма или наибольшей яркости свечения индикаторной лампочки. Точка экстремума под воздействием различных возмущений смещается в каком-то определённом направлении, но при этом неизвестно, в каком именно направлении следует воздействовать на регулирующий орган, чтобы вернуть систему к экстремуму.

Для экстремального управления выполняются сначала небольшие пробные движения, затем анализируется реакция на них системы и по результатам анализа вырабатывается управляющее воздействие.

    Первые упоминания в литературе об экстремальных регуляторах содержатся в статье М.Леблана (1922), где описаны регуляторы для колебательного контура электропоезда, и в книге Т.Штейна (1926), где высказывалась идея регулирования топки парового котла по минимуму потерь в дымовой трубе. Далее экстремальные регуляторы исследовались и предлагались Ю.С.Хлебцевичем (1940), В.В.Казакевичем (1943). Широкую известность принцип экстремального регулирования приобретает в 50-х годах после выхода в свет книги Цян Сюэ-сеня (1954) и статей Дрейпера и Ли.

    3.2.Принцип оптимального управления.

      Ещё один фундаментальный принцип - оптимального управления - в последние годы начал применяться как в технических системах для повышения эффективности производственных процессов, так и в системах организованного управления для совершенствования деятельности предприятий, учреждений, отраслей народного хозяйства.

    Принцип оптимального управления можно применить в процессах, показатель эффективности которых зависит не только от текущих значений координат, но и от характера их изменения в прошлом, настоящем и будущем; показатель эффективности выражается некоторым функционалом от координат или от времени. В качестве примера можно привести процесс управления бегом спортсмена на дистанции. Запас энергии спортсмена ограничен, а её расходование зависит от характера бега. Спортсмен не может в каждый момент времени отдавать максимум возможной мощности, так как при этом быстро выдохнется на дистанции.

    Нахождение оптимального управления в подобных задачах требует решения в процессе управления достаточно сложной  математической задачи методами вариационного исчисления или математического программирования. Таким образом, органической частью систем оптимального управления становится вычислительная машина.

3.3. Принцип адаптации.

    В управлении начинает использоваться принцип адаптации. он применяется тогда, когда параметры системы под влиянием внешних факторов изменяются непредвиденным заранее образом настолько сильно, что движение системы претерпевает существенные качественные изменения. При этом рассмотренные выше принципы управления уже не дают возможности обеспечить нормальное функционирование системы и необходимо в процессе управления изменять параметры и даже структуру системы.

4. Классификация систем автоматического управления.

    Системы автоматического управления классифицируются по различным признакам.

    По характеру изменения управляющего воздействия   различают системы автоматической стабилизации, программного регулирования и следящие системы.

   По виду передаваемых сигналов  выделяют системы непрерывные, с гармонической модуляцией, импульсные, релейные и цифровые.

   По способу математического описания, принятого при исследовании, выделяют линейные и нелинейные системы. Обе группы могут быть представлены непрерывными, дискретными и дискретно-непрерывными системами.

    По виду контролируемых изменений своих свойств   различают неприспосабливающиеся и приспосабливающиеся (адаптивные) системы.  В последнем классе можно выделить самонастраивающиеся системы с самонастройкой параметров или воздействий и самоорганизующиеся системы с контролируемыми изменениями структуры.

    В зависимости от принадлежности источника энергии, при помощи которого создаётся управляющее воздействие, системы могут быть прямого и непрямого действия. В системах прямого действия используется энергия управляемого объекта. К ним относятся простейшие системы стабилизации (уровня, расхода, давления и т.п.), в которых воспринимающий элемент через рычажную систему непосредственно действует на исполнительный орган (заслонку, клапан и т.д.). В системах непрямого действия управляющее воздействие создаётся за счёт энергии дополнительного источника.

4.1. Системы автоматической стабилизации,

 программного регулирования и

следящие системы.

    Системы автоматического регулирования в зависимости от характера изменения управляющего воздействия делятся на три касса. Различают системы автоматической стабилизации, системы программного регулирования и следящие системы.

    Системы автоматической стабилизации характеризуются тем, что в процессе работы системы управляющее воздействие остаётся величиной постоянной.

    Основной задачей системы автоматической стабилизации является поддержание на постоянном уровне с допустимой ошибкой регулируемой величины независимо от действующих возмущений. Действующие возмущения

вызывают отклонение регулируемой величины от предписанного ей значения. Отклонением регулируемой величины называется разность между значением регулируемой величины в данный момент времени и её значением, принятым за начало отсчёта.  

    Понятие отклонения регулируемой величины является характерным для систем автоматической стабилизации и позволяет дать качественную оценку динамическим свойствам систем этого класса

    Системами автоматической стабилизации являются различного рода САР, предназначенные для регулирования скорости, напряжения, температуры, давления; например, стабилизатор курса самолёта и т.д.

    Системы программного регулирования  отличаются тем, что управляющее воздействие изменяется по заранее установленному закону в функции времени или координат системы.

    О точности воспроизведения управляющего воздействия на выходе системы воспроизведения судят по величине ошибки, которая определяется разность между управляющим воздействием и регулируемой величиной в данный момент времени.  

    Примером систем программного регулирования могут служить системы управления копировально-фрезерным станком.

    В следящих системах управляющее воздействие также является величиной переменной, но математическое описание его во времени не может быть установлено, так как источником сигнала служит внешнее явление, закон изменения которого заранее неизвестен. В качестве примера следящей системы можно указать на радиолокационную станцию автоматического сопровождения самолёта.

    Так как следящие системы предназначены для воспроизведения на выходе управляющего воздействия с возможно большей точностью, то ошибка, так же как и в случае систем программного регулирования, является той характеристикой, по которой можно судить о динамических свойствах следящей системы. Ошибка в следящих системах, как и в системах программного регулирования, является сигналом, в зависимости от величины которого осуществляется управление исполнительным двигателем.

4.2. Основные элементы систем автоматического регулирования.

    Система автоматического регулирования представляет собой комплекс, состоящий из регулируемого объекта и регулятора. По характеру используемых элементов и функциям, которые они выполняют, системы автоматической стабилизации, следящие системы и системы программного регулирования принципиальных различий не имеют.

    В соответствии с принципом действия системы автоматического регулирования можно выделить основные элементы, как правило, присутствующие во всех системах.

    Во всех трёх группах систем управляющее воздействие сравнивается с регулируемой величиной. Для выполнения операции сравнения применяются устройства, называемые элементами сравнения. Управляющее воздействие и регулируемая величина, поступающие на два входа элемента сравнения, должны быть предварительно преобразованы и приведены к сигналам одного вида энергии и размерности. Эти операции выполняются измерительным элементом со стороны управляющего воздействия.

    В большинстве случаев непосредственное использование выходного сигнала элемента сравнения для приведения в действие регулирующего органа объекта не представляется возможным. Поэтому возникает необходимость в предварительном усилении сигнала как по величине, так и по мощности. Кроме того, часто необходимо осуществить и преобразование сигнала, связанное с формой представления воздействия, и перевод его из одного вида энергии в другой. Эти функции обычно выполняются тем или иным усилителем. Таким образом, в системах автоматического регулирования в числе основных устройств в большинстве случаев применяют усилительный элемент . 

    В практике могут встретится случаи, когда применение усилителей не обязательно. При этом регулятор непосредственно действует на регулирующий орган и называется регулятор прямого действия . Автоматическая система с регулятором прямого действия называется системой прямого регулирования .

    При наличии усилителей регулирующее устройство называется  регулятором непрямого действия. Автоматическая система с регулятором непрямого действия называется системой непрямого регулирования .

    Приведение в действие регулирующего органа объекта обычно осуществляется с помощью исполнительного элемента.

    В системе автоматического регулирования, составленной из объекта регулирования, элемента сравнения, усилителя и исполнительного элемента, динамические процессы могут протекать недостаточно качественно, по тем или иным причинам процесс регулирования может оказаться вообще неустойчивым. Для того чтобы система автоматического регулирования обладала устойчивым процессом и удовлетворяла требуемым условиям качества процесса регулирования, применяют корректирующие устройства.

    Таким образом, система автоматического регулирования состоит из объекта регулирования и регулятора. Регулятор включает в себя такие основные элементы, как элемент сравнения, усилитель, исполнительный элемент и корректирующие устройства.

    Обычно системы автоматического регулирования представляют в виде структурных схем. Эта структурная схема может представлять все три группы систем, то есть системы автоматической стабилизации, следящие системы и системы программного регулирования. Принципиальной разницы между этими системами по применению и назначению элементов нет. Есть некоторое различие в задающем элементе. Так, например, задающий элемент в системе автоматической стабилизации вырабатывает управляющее воздействие постоянной величины, которое называется уставкой регулятора и с которой сравнивается  регулируемая величина при работе  системы. При работе схемы в режиме следящей системы задающий элемент должен обеспечить измерение управляющего сигнала, поступающего на следящую систему извне.

4.3. Статическое и астатическое регулирование.

    Системы автоматической стабилизации, следящие системы и системы программного регулирования разделяют на две группы: системы статические и системы астатические (не имеющие статической ошибки).

    Система автоматического регулирования будет статической по отношению к возмущающему воздействию, если при стремлении возмущающего воздействия к постоянной величине отклонения регулируемой величины также стремится к постоянной величине, отличной от нуля и зависящей от величины приложенного воздействия.

     Систему автоматического регулирования можно назвать статической по отношению к управляющему воздействию, если при стремлении последнего к постоянной величине ошибка также стремится  к постоянной, отличной от нуля, величине и зависит от значения приложенного воздействия.

    Система автоматического регулирования будет астатической по возмущающему воздействию, если при стремлении возмущающего воздействия к постоянной величине отклонение регулируемой величины стремится к нулю и не зависит от величины приложенного воздействия.

    Система автоматического регулирования будет астатической по отношению к управляющему воздействию, если при стремлении управляющего воздействия к постоянной величине ошибка стремится к нулю и не зависит от величины воздействия.

4.4. Системы автоматического регулирования непрерывного,

импульсного и релейного действия.

    В зависимости от вида сигналов различают системы автоматического регулирования непрерывные, релейные и импульсные.

    Особенностью непрерывных систем является то, что во всех элементах, составляющих систему, входные и выходные сигналы являются непрерывными функциями времени. К числу непрерывных систем относятся также системы с |гармонической модуляцией. При этом для передачи сигнала могут быть использованные амплитудно-модулированные, частотно-модулированные колебания и колебания с модулированной фазой.

4.5. Регулирование по возмущению и

комбинирование регулирование.

    Процесс реализации компенсации возмущающего воздействия называется регулированием по возмущению. Регулирование по возмущению обладает достоинствами и недостатками. В числе достоинств следует отметить высокое быстродействие. К недостаткам нужно отнести то, что цепь компенсации обеспечивает необходимое качество регулирования только при действии того возмущения, на которое она рассчитана. При действии другого возмущения и необходимости компенсировать его действие нужно вводить новую цепь компенсации, что, конечно, усложняет систему. Цепь компенсации не является обратной связью, потому что по этой цепи передаётся входной сигнал, а не регулируемая (выходная) величина объекта .

    В системах, использующих принцип обратной связи или принцип регулирования по отклонению, решающее значение имеет сам факт отклонения регулируемой величины от установленной программы независимо от характера величины, вызвавшей это отклонение. Поэтому в системах автоматического регулирования по отклонению нет недостатка, имеющего место в системах регулирования по возмущению.

    В технике автоматического регулирования имеются системы, в которых совмещаются достоинства регулирования по отклонению и возмущению. Система , в которых одновременно используются оба принципа регулирования, называются комбинированными, а принципы в этих системах - комбинированным регулированием.  

Заключение

Требования, предъявляемые к динамическим свойствам

систем автоматического регулирования.

    Воздействие, приложенное к системе автоматического регулирования, вызывает изменение регулируемой величины. Изменение регулируемой величины во времени определяет переходный процесс, характер которого зависит от воздействия и от свойств системы.

    Является ли система следящей системой, на выходе которой нужно воспроизвести как можно более точно закон изменения управляющего сигнала, или системой автоматической стабилизации, где независимо от возмущения регулируемая величина должна поддерживаться на заданном уровне, переходный процесс представляется динамической характеристикой, по которой можно судить о качестве работы системы.

    Любое воздействие, приложенное к системе, вызывает переходный процесс. Однако в рассмотрение обычно входят те переходные процессы, которые вызваны типовыми воздействиями, создающими условия более полного выявления динамических свойств системы. К числу типовых воздействий относятся сигналы скачкообразного и ступенчатого вида, возникающие, например, при включении системы или при скачкообразном изменении нагрузки; сигналы ударного действия, представляющие собой импульсы малой длительности по сравнению с временем переходного процесса.

    Чтобы качественно выполнить задачу регулирования в различных изменяющихся условиях работы система должна обладать определённым (заданным) запасом  устойчивости .

    В устойчивых  системах автоматического регулирования переходный процесс с течением времени затухает и наступает установившееся состояние. Как в переходном режиме, так и в установившемся состоянии выходная регулируемая величина отличается от желаемого закона изменения на некоторую величину, которая является ошибкой и характеризует  точность выполнения поставленных задач. Ошибки в установившемся состоянии определяют статическую точность системы и имеют большое практическое значение. Поэтому при составлении технического задания на проектирование системы автоматического регулирования отдельно выделяются требования, предъявляемые к статической точности .

    Большой практический интерес представляет поведение системы в переходном процессе. Показателями переходного процесса являются время переходного процесса, перерегулирование и число колебаний регулируемой величины около линии установившегося значения за время переходного процесса.

    Показатели переходного процесса характеризуют качество системы автоматического регулирования и являются одним из важнейших требований, предъявляемых к динамическим свойствам системы.

    Таким образом, для обеспечения необходимых динамических свойств к системам автоматического регулирования должны быть предъявлены требования по запасу устойчивости, статической точности и качеству переходного процесса.

    В тех случаях когда воздействие (управляющее или возмущающее) не является типовым сигналом и не может быть сведено к типовому, то есть когда оно не может рассматриваться как сигнал с заданной функцией времени и является случайным процессом, в рассмотрение вводят вероятностные характеристики. Обычно при этом оценивается динамическая прочность системы с помощью понятия среднеквадратичной ошибки. Следовательно, в случае систем автоматического регулирования, находящихся под воздействием случайных стационарных процессов, для получения желаемых динамических свойств системы нужно предъявить определённые требования к величине среднеквадратичной ошибки.