книги / Теория автоматического управления техническими системами

в переменных вход-выход и в переменных состояния; дан ана­ лиз устойчивости линейных непрерывных систем; рассмотрен частотный метод анализа качества регулирования и синтеза САР; перечислены элементы анализа нелинейных систем.

Кроме того, в пособии даны основы ТАУ: теория детермини­ рованного оптимального управления как одномерных, так и многомерных непрерывных и дискретных систем, основы синте­ за оптимальных систем при случайных воздействиях, методы •описания дискретных и дискретно-непрерывных систем; методы идентификации, понятие об адаптивных системах управления, •основные сведения об иерархических многоуровневых САУ. Изложены вопросы анализа .и синтеза дискретных и цифровых САУ, включая цифровое управление с помощью микроЭВМ, а также методы проектирования и автоматизации проектирования технических систем управления.

Среди отечественных изданий, посвященных перечисленным ранее вопросам, нет книг, в которых в сжатой и доступной фор­ ме изложена теория автоматического управления техническими системами (ТАУ ТС) на основании принятого здесь подхода.

Данное учебное пособие охватывает только собственно тео­ рию управления техническими системами, так как технические средства САР и САУ являются предметом специальной книги.

Настоящее издание предназначено для студентов техничес­ ких вузов, изучающих курс «Управление в технических систе­ мах» (УТС) в рамках учебных планов по различным специаль­ ностям, кроме специальности «Автоматика и управление в тех­

новых технологий; сведениями и навыками, необходимыми для формирования

обоснованного технического задания на динамическое проекти­ рование системы управления соответствующим технологическим процессом. Книга может быть рекомендована также инженерам, занимающимся проектированием систем управления технически­ ми объектами и технологическими процессами, как содержа­ щая новые подходы в этой области.

Доктор техн. наук, проф. В. В. Солодовников

ВВЕДЕНИЕ

Теория автоматического управления техническими система­ ми (ТАУ ТС) охватывает идеи, принципы и методы информа­

тики, а также основы теории автоматического регулирования и управления в области техники.

ТАУ ТС как прикладная научная дисциплина имеет свою

историю. XVII—XIX века были начальным периодом в разви­ тии машиностроения и машинных технологий, когда человек управлял энергетическими машинами и ходом технологических процессов на основе своего опыта и интуиции. Этот период можно еще условно назвать и «веком измерений». Он характе­ ризовался тем, что управление машинами и процессами осу­ ществлялось при помощи мускульной силы человека, ориенти­

ровавшегося на показания немногочисленных в то время при­ боров, являвшихся придатками машин.

По мере развития технического процесса такой элементар­

ный способ управления оказался неэффективным. Появились

первые системы автоматического регулирования, основанные на принципе отрицательной обратной связи. К мим следует отнес­ ти такие, например, как системы, регулирующие уровень воды в паровом котле (изобретатель И. И. Ползунов, 1765) и стаби­ лизирующие частоту вращения вала паровой машины при по­

мощи центробежного регулятора (Д. Уатт, 1768). Эти изобре­ тения положили начало «веку автоматики», когда устранялась необходимость применения мускульной силы человека для управления техническими объектами и процессами. Параллель­ но с техническими средствами автоматики развивалась и наука об автоматике.

механике изложил основы выбора параметров регуляторов не­ прямого действия (СПб., 1846). В 1872 г. И. А. Вышнеград­ ский сделал сообщение о своей 'работе по теории регуляторов, которая была опубликована под названием «Об общей теории регуляторов» (Париж, 1876). Первая работа по вопросам нели­ нейной ТАР —«О регуляторах непрямого действия» также при­ надлежит И. А. Вышнеградскому (СПб., 1878).

Профессор Московского Высшего императорского учили­

ми начала развиваться несколько позже3. Научной базой ТАУ являются прежде всего теории автоматического регулирования и информации, а также информатика и техническая киберне­ тика.

Управление в принятом нами смысле отличается от регули­ рования тем, что его задачей является формирование на осно­ ве цели управления и имеющейся информации управляющего сигнала (или уставки), отрабатываемого автоматическими регу­ ляторами (или следящими системами) на требуемом уровне мощности. Другими словами, автоматические регуляторы пре­ образуют уставки в управляющие воздействия на объект, вхо­ дящий в систему, так, чтобы этот объект реализовал заданную цель управления. Таким образом, ТАР представляет собой лишь часть или раздел более общей теории управления.

В связи с этим более существенным стал вопрос о различии между терминами ТАУ и ТАР, так как во многих научных пуб­ ликациях дается неточное их определение.

Основной задачей ТАР является воспроизведение (обработ­ ка) с наименьшей погрешностью некоторого произвольного входного сигнала, причем цель регулирования состоит в сведе­ нии к минимуму функционала от ошибки между входным и выходным воздействиями. Главное отличие ТАУ от ТАР состо­ ит в том, что в ТАУ решается задача верхнего уровня, на ко­ тором формируется входное для автоматического регулятора управляющее воздействие (сигнал). Эта задача, удовлетворяю­ щая некоторым техническим ограничениям, сводится к нахож­ дению экстремума сложного функционала эффективности, в си­ лу чего решается с помощью мощной вычислительной техники.

Если САУ являются верхним уровнем в иерархии управле­ ния объектами, то САР играют роль нижнего уровня, на кото­ ром выполняется коррекция отклонений траектории движения,

1Техническая кибернетика: Теория автомат, регулирования: В3 кн. / Под ред. В. В. Солодовникова. Кн. 1. М.: Машиностроение. 1967. 768 с. (Сер. инженер, монографий).

2См.: Справочник по теории автоматического управления / Под ред. А.А.Красовского. М.: Наука. 1987.

3См.: Основыавтоматического управления: Автомат, регуляторыи сле­ дящие системы/ Под ред. В.В.Солодовникова. Т.3. М.: Машгнз, 1963.

соответствующей управляющему сигналу, из-за неопределен­ ности описания объекта регулирования, а также действия слу­ чайных возмущений и помех. В общем случае, характеризуя устойчивость САР, говорят, что система является «грубой»,, если она защищена от таких неопределенностей в объекте, ко­ торые наверняка будут иметь место в любой реальной ситуа­ ции.

В настоящее время в стадии интенсивного развития нахо­ дятся теория и техника иерархических многоуровневых систем управления технологическими процессами и объектами. Теория такого рода систем является дальнейшим развитием ТАУ. Одна­ ко теория и техника систем автоматического регулирования, непосредственно связанные с процессами материального про­ изводства, по-прежнему являются базой для построения САУ.

Основные понятия, принципы, задачи и методы ТАР и ТАУ сохраняют свою актуальность и получают развитие в современ­ ной теории, а также в подходах к проектированию сложных автоматизированных систем. Новым в этих подходах является существенное возрастание роли информации, а также компью­ теризации процессов ее обработки, так как любая система управления выполняет поставленную перед ней цель при по­ мощи сбора, передачи, обработки и использования информации на основе принципа обратной связи.

ясно, что в теории информации энергетическая сущность про­ цессов отступает на второй план по отношению к информаци­

онной.

Информация передается при помощи сигналов, реализован­ ных в изменениях той или иной физической переменной, ха­ рактеризующей последовательность некоторых событий. Коли­

Передача и прием информации возможны лишь при удов­ летворении следующих трех условий:

сообщения должны представлять собой случайную, непред­ сказуемую последовательность символов;

источник информации должен осуществлять селективные операции над символами, из которых образуются сообщения; символы должны иметь один и тот же смысл, определяемый

не только для источника, но и для приемника информации.

Перечисленные условия можно пояснить следующим обра­ зом. Если на приемном конце заранее известно содержание сообщения, то никакой информации при его приеме не будет получено.

Таким образом, в основе понятия информации лежит пред­ положение о невозможности по крайней мере однозначности восприятия сообщений, которые будут приняты в будущем на основании сообщений, принятых в настоящем.

Но полное незнание условий также исключает возможность передачи информации, так как для передатчика и приемника должен существовать общий язык или код. Действительно, если, например, читатель не знает языка, на котором написана книга, то она не может сообщить ему никакой информации, как бы ни было важно и интересно ее содержание.

1.2.Информатика и вычислительная техника

Всовременных условиях необходимость передачи и пере­ работки непрерывно увеличивающихся массивов разнообразной информации вызвала к жизни новую отрасль науки и техни­ ки—информатику. Этот термин появился несколько позже, чем «кибернетика», но непосредственно связан с последним.

Впредмет информатики входят вопросы передачи сообще­ ний или сигналов по линиям связи, обмена и обработки научнотехнической информации, организационного управления и пла­ нирования; вопросы медицины, образования, лингвистики, ис­ кусства, музыки, документалистики, сферы услуг, охраны окру­ жающей среды и т. д.

Сущность информатики заключается в триединстве матема­ тической модели, алгоритма, программы, что позволяет выде­ лить главные проблемы, которые необходимо решить при раз­

работке новых информационных систем. Это проблемы созда­

ния:моделей, позволяющих использовать строгие научные ме­ тоды преобразования информации;

алгоритмов, обеспечивающих применение современных чис­ ленных методов к решению комплекса информационных задач; программ (для ЭВМ), реализующих новую информацион­

ную технологию в той или иной предметной области.

Особенно перспективным является проникновение идей ин­

форматики в неформализуемые области деятельности человека, т. е. недоступные для точных количественных методов (напри­ мер, верхние уровни управления многоуровневыми технически­

ми системами, системы искусственного интеллекта). Существен­ ные революционные изменения вносит информатика также в

медицину, биологию, лингвистику, прогнозирование событий и 1.3. Кибернетика и управление

Термин «кибернетика» появился раньше термина «информа­ тика». Общим как для кибернетики, так и для информатики

является то, что в них рассматриваются информационные про­

цессы, которые используются в кибернетике для целей управле­

ния, а в информатике —для более широкого круга процессов и явлений. Так что в современном понимании информатика яв­

ляется более общей отраслью знаний, чем кибернетика [4]. Кибернетика, так же как теория информации и информати­

ка, существенным образом связана с понятиями вероятности и случайных процессов.

Воздействия, приложенные к системам управления как по­

лезные, так и вредные (помехи), в общем случае являются не детерминированными, а случайными функциями времени, ко­

торые невозможно заранее предугадать. Поэтому кибернетика (как и теория информации) является теорией систем, находя­

щихся под влиянием случайных управляющих и возмущающих воздействий. Под управляющим воздействием здесь понимается сигнал, который необходимо передать от источника информа­ ции к объекту, а под возмущающим —различные типы возму­ щений и помех, влияющих на точность этой передачи.

Необходимость введения статистических методов в информа­ тику и кибернетику следует из того, что информационные си­ стемы, а также системы управления должны удовлетворять предъявляемым к ним требованиям не только для одного опре­ деленного или детерминированного сигнала, но и для совокуп­ ности сигналов, которая может быть охарактеризована лишь при помощи методов математической статистики. Кроме того, часто возникает необходимость учитывать случайные изменения параметров системы.

Непредсказуемость реализаций управляющих и возмущаю­

управления, поставленной перед процессом, объектом или си­ стемой, необходимо не только формирование управляющих воз­ действий, но и получение достоверной информации о протека­ нии процесса на выходе САУ. Техническая реализация принци­ па ООС сводится к разработке каналов прямой и обратной свя­ зи между управляющей системой и объектом, что существенно повышает эффективность управления при наличии возмущаю­ щих воздействий и помех (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Обобщенная схема САУ

Процессы управления —это динамические процессы, проте­ кающие в системах, в которых потоки информации, а также ре­ шения и действия для достижения цели управления структурно реализуются в виде замкнутых контуров, т. е. систем с обрат­ ной связью.

Внастоящее время понятие обратной связи стало универсальным, характеризующим все природные итехнические процессы, связанные в том числе и с деятельностьючеловека. Так, например, экология является про­ явлением принципа обратной связи между человеком и природой. До не­ давнего времени человек использовал природные ресурсы, не заботясь об обратной реакции, т. е. осуществлял воздействие на природу по разомкну­ тому циклу. Сейчас он вынужден учитывать эту реакциюив управлении еюосуществлять принцип обратной связи (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Обратная связь в систем человек —природа

Рис. 1.4. Обратная связь в системе человек —техника

Насколько важно уметь управлять научно-техническим прогрессом, особенно наглядно показывает пример с развитием ядерной энергетики. Ведь, казалось бы, АЭС—величайшее достижение науки. Однако в случае аварии на ней (например, из-за ненадежности технических средств или на­ рушения условий эксплуатации) может последовать гибель людей и даже угроза для самой жизни на нашей планете. Поэтому система человек—ма­ шина или проблема человек—техника приобретаю.в настоящее время гло­ бальное значение.

Наиболее возможныдва пути развития техники:

1) разделение труда между человеком и машиной осуществляется «оптимальным» способом в соответствии с их специфическими особенностя­ ми и возможностями;

2) по мере прогресса в областях формализации и алгоритмизации все процессыуправления передаются машине.

Первый путь является более эффективным, дешевым, устанавливающим гармонию между человеком и машиной. Второй путь с течением времени может сделаться опасным, так как он может привести к такому положению Пещей, когда творческие способности человека начнут ослабевать и уже окажется невозможным вернуться на первый путь. Поэтому глубокое понимание и знание принципов и идей теории управления имеют особо важное значение.