Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

В. Л. Федоров, а. В. Бубнов теория автоматического управления

Учебное пособие

Омск

Издательство ОмГТУ

2010

УДК 65.011.56(075)

ББК 32.965я73

Ф33

Рецензенты:

В. В Харламов, д-р техн. наук, профессор кафедры «Электрические машины и общая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения;

А. А. Руппель, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «АППиЭ» Сибирской автомобильно-дорожной академии

Федоров, В. Л.

Ф33 Теория автоматического управления : учеб. пособие / В. Л. Федоров, А. В. Бубнов. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. – 116 с.

ISBN 978-5-8149-0905-3

Рассмотрены вопросы анализа и синтеза систем автоматического управления. Использованы наиболее значимые материалы из изданных в настоящее время учебников по ТАУ для высших учебных заведений.

Предназначено для студентов, обучающихся по магистерскому направлению 140208.68, по специальности 210106.65 и по направлению 200100.62 очной, очно-заочной и заочной форм обучения, в том числе с использованием дистанционных технологий обучения.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского государственного технического университета

УДК 65.011.56(075)

ББК 32.965я73

ISBN 978-5-8149-0905-3 © ГОУ ВПО «Омский государственный

технический университет», 2010

Введение

Теория автоматического управления – дисциплина, изучающая процессы управления объектами различной физической природы.

В настоящее время системы автоматического управления используются буквально во всех сферах деятельности человека – промышленном производстве, энергетике, сельском хозяйстве, образовании и медицине, транспорте и связи, научных исследованиях, военной технике и быту. Побудительным мотивом столь широкого использования является стремление человека увеличить производительность своего труда. Не случайно изобретение эффективного парового двигателя (Англия, вторая половина XYIII в.) привело к началу промышленного переворота, продолжавшегося до второй четверти XIX века.

Отметим, что эффективности работы паровых двигателей удалось добиться за счет применения автоматических регуляторов: 1) поплавкового регулятора уровня воды в котле (русский изобретатель И.И. Ползунов, 1765 г.); 2) центробежного регулятора скорости вращения вала (шотландский инженер Д. Уатт, 1781 г.).

Впоследствии именно изобретение Д. Уатта послужило основой для развития теории и практики регуляторостроения. Первый учебный курс “Теория регуляторов прямого действия” был разработан профессором математики Петербургского университета Д.С. Чижовым (1838 г.). Обобщение этой теории осуществили британский физик Д.К. Максвелл в работе “О регуляторах” (1868 г.) и И.А. Вышнеградский, профессор Петербургского Технологического института, в своих трудах “Об общей теории регуляторов” (1876 г.) и “О регуляторах прямого действия ” (1877 г.). Впервые оба автора рассматривали регулятор и объект регулирования как единую динамическую систему, что позволило установить ряд общих закономерностей управления по принципу обратной связи и разработать основы теории устойчивости.

Отметим исключительно важную инженерную направленность работ И.А. Вышнеградского, в которых математически объяснялись причины появления неустойчивости систем, выведены условия устойчивости, выделены области апериодичности и колебательности процессов, заложены основы исследования качества процессов регулирования. Это дает основание считать И.А. Вышнеградского основоположником теории автоматического управления.

В 1892 г. была опубликована работа А.М. Ляпунова (впоследствии избранного академиком Петербургской Академии наук) “Общая задача об устойчивости движения” – фундаментальный труд по теории устойчивости динамических систем.

Объектом исследования теории управления того времени были системы управления различными механическими машинами. В начале XX века стали появляться новые объекты управления – различные электромеханические и электронные устройства, что послужило стимулом дальнейшего развития теории управления. Разрабатываются частотные приемы исследования систем. Так, в трудах американского инженера Х. Найквиста разработан критерий устойчивости усилителей с обратной связью (1932 г.), основанный на анализе частотной характеристики разомкнутой системы. В работе советского ученого А.В. Михайлова “Гармонический метод в теории регулирования” (1938 г.) получен частотный критерий устойчивости, не требующий размыкания цепи обратной связи.

Очередной этап развития теории автоматического управления пришелся на годы Второй мировой войны в связи с необходимостью разработки устройств военного назначения (системы орудийного наведения, станции радарного слежения и другие, работающие на основе принципа обратной связи). Появляются новые аналитические методы синтеза систем, что придало теории управления статус инженерной дисциплины.

В пятидесятые годы XX века теория автоматического управления стала теоретической основой автоматизации во всех областях техники и обязательным предметом в технических вузах. Произошло деление теории управления на самостоятельные области – теорию линейных и нелинейных систем, теорию систем с распределенными параметрами, статистическую теорию, теорию дискретных систем. В результате параллельного развития этих областей появились новые методы анализа – метод малого параметра, метод гармонической линеаризации, статистические расчеты на основе теории марковских случайных процессов и другие.

Запуск искусственного спутника Земли и начало космической эры ознаменовали новый этап развития теории управления. Потребность создания высокоточных систем управления космическими аппаратами, в сочетании с требованием минимизации массы спутников, обусловили развитие теории оптимального управления.

Появление вычислительной техники и в особенности микропроцессоров привели (в настоящее время) к массовому использованию последних в системах управления – от военной до бытовой техники. Это стало возможным в результате дальнейшего развития методов анализа и синтеза дискретных систем управления.

Дальнейшее развитие теории автоматического управления, очевидно, будет обусловлено появлением все более сложных объектов управления и развитием вычислительной техники.

Данное учебное пособие написано на основе лекций, читаемых авторами в течение ряда лет студентам ОмГТУ.