Теория автоматического управления (ТАУ) входит в число важнейших научных дисциплин, составляющих в совокупности науку об управлении. Развитие ТАУ в современный период объясняется объективной необходимостью разработки новых и совершенствования существующих автоматических систем, выполняющих те или иные функции управления самыми различными по своей физической природе процессами во всех областях техники без непосредственного участия человека.
Достижения в ТАУ позволили создать безлюдное конвейерное производство, мобильные робототехнические комплексы, автопилоты, высокоточные системы вооружений и т.д.
Основными причинами, обуславливающими необходимость комплексной автоматизации процессов и внедрение автоматики в. сферу управления и контроля, являются:
стремление к дальнейшему освобождению человека от трудоемких работ, увеличению производительности труда и технико-экономических показателей производства;
непрерывное усложнение характера производственных процессов и соответствующих функций управления этими процессами;
ограниченность физиологических возможностей человека, ставящих предел его способности быстро и точно управлять движением технических средств;
вредность или невозможности управления некоторыми процессами при непосредственном участии человека.
Основными стимулами развития автоматизации является повышение производительности труда, улучшение качества продукции и условий труда.
История развития систем автоматического управления (САУ) непосредственно связана с историей создания различных высокоточных механизмов, из которых наиболее известными являются водяные часы. Самое раннее упоминание о подобных устройствах относится к третьему веку до нашей эры. В Древней Греции Ксетибиос создал поплавковый регулятор уровня для водяных часов. В первом столетии н.э. Херон из Александрии, написал книгу под названием “Пневматика”, в которой привел несколько чертежей поплавковых регуляторов уровня воды.
Первой системой с обратной связью, изобретенной в средневековой Европе, был регулятор температуры голландского механика Корнелиуса Дреббеля (1572-1633), который больше известен как создатель одной из первых подводных лодок. Другой голландский ученый Христиан Гюйгенс (1629-95) изобрел в 1657г. маятниковый регулятор хода часов, дал их теорию, установил законы колебаний физического маятника.
Первый регулятор давления для паровых котлов предложил в 1681г француз Дени Папен (1647-1712). В 1765 г. талантливый русский механик И.И. Ползунов (1728-1766) изобрел поплавковый регулятор, поддерживающий постоянный уровень воды в котле паровой машины. В этом регуляторе нашла применение идея регулирования по отклонению, которая легла в основу принципа построения современных автоматических систем.
В 1784 г. известный английский механик Дж. Уаттом (1736-1819), получил патент на центробежный регулятор скорости вращения вала для паровой машины. Это изобретение сыграло важную роль в развитии промышленных систем регулирования.
В 1808 г. Ж. Жаккар построил первое программное устройство управления ткацким станком от перфокарты для воспроизведения узоров на коврах. Это изобретение явилось прообразом современных устройств программного управления.
Период до второй половины 19 века характеризовался появлением систем автоматического управления, главным образом благодаря интуиции и изобретательству. Попытки увеличить точность управления приводили к медленному затуханию колебаний во время переходных процессов и даже к потере устойчивости систем. Именно тогда и возникла необходимость создания основ теории автоматического управления.
Первыми фундаментальными работами, положившими начало теории автоматического управления, считают труд Д.К. Максвелла (1831-1879) «О регуляторах» (1868 г.) и труды И.А. Вышнеградского (1832-1895), «Об общей теории регуляторов (1876 г.) и «О регуляторах прямого действия» (1877 г.).
Дж. Максвелл в работе “О регуляторах”, используя дифференциальное уравнение как модель регулятора, заложил математические основы теории управления. Его работа была посвящена исследованию влияния изменения параметров системы на ее поведение. Однако данная работа явно полезных практических выводов не содержала. Ее роль была оценена значительно позже, когда ТАУ сформировалась в самостоятельную общую научную дисциплину.
Особое значение имеют работы русского ученого-математика профессора Петербургского технологического института И.А. Вышнеградского, которого современники по праву считали основоположником теории автоматического регулирования (раздела ТАУ). Его работы отличались инженерным подходом, имели практические рекомендации, содержали истоки многих современных методов исследования качества регулирования.
В целом заслуга Д.К. Максвелла и И.А. Вышнеградского состоит в том, что они впервые рассмотрели регулятор и объект регулирования как единую динамическую систему на основе линеаризации дифференциальных уравнений. Этими работами было положено начало, так называемой классической ТАУ.
В конце XIX века появились регуляторы для паровых турбин и гидротурбин, электрические регуляторы напряжения генераторов и регуляторы скорости для двигателей постоянного тока. Однако во многих случаях регуляторы вместо того, чтобы поддерживать постоянное значение выходной величины, позволяли ей совершать колебания относительно заданного значения.
Важную роль для решения подобных проблем имели труды академика А.М. Ляпунова (1857-1918). В работе «Общая задача об устойчивости
Загрузка...
