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

2 010

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.