СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

История автоматического управления

Использование обратной связи для целей управления имеет увлекательную историю. Впервые принцип обратной связи был применен при создании поплавковых регуляторов в Греции за 300 лет до н. э. Такой регулятор был использован Ктесибиосом в водяных часах (см. задачу 1.11). В масляном фонаре, изобретенном Филоном приблизительно в 250 году н. э., поплавковый регулятор позволял поддерживать постоянный уровень масла, игравше­го роль горючего. Херон из Александрии, живший в первом столетии н. э., написал книгу под названием Пневматика, в которой привел несколько чертежей поплавковых регулято­ров уровня воды.

Первой системой с обратной связью, изобретенной в современной Европе, был регу­лятор температуры Корнелиуса Дреббеля (1572-1633) из Голландии. Дени Папен (1647—1712) в 1681 г. изобрел первый регулятор давления для паровых котлов, работав­ший по принципу предохранительного клапана.

Первым автоматическим регулятором промышленного назначения общепризнанно считается центробежный регулятор Джеймса Уатта, разработанный в 1769 г. для управ­ления скоростью вращения вала паровой машины. С помощью этого полностью механи­ческого устройства, изображенного на рис 1.5, производилось измерение скорости враще­ния вала машины. При увеличении скорости металлические шарики за счет центробеж­ной силы расходились, что, в свою очередь, приводило к перемещению втулки вверх по оси регулятора. Это перемещение с помощью рычажного механизма передавалось на кла-

Регулятор

Выходной

вал

Паровая

машина

пан, который уменьшал подачу пара в машину и, следовательно, скорость вращения вала. Для приведения регулятора в действие от машины отбиралась некоторая мощность, поэ­тому измерение скорости проводилось не точно.

В России первой в истории системой с обратной связью был поплавковый регулятор уровня воды в паровом котле, изобретенный И. Ползуновым в 1765 г. (рис. 1.6). С помо­щью поплавка измерялся уровень воды, а рычажный механизм воздействовал на клапан, регулировавший подачу воды в котел.

Период до 1868 г. 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 системой устойчивости. Именно тогда и возникла необходи­мость разработки теории автоматического управления. Дж. Максвелл, используя диффе­ренциальное уравнение как модель регулятора, заложил математические основы теории управления. Его работа была посвящена исследованию влияния изменения параметров системы на ее поведение. В те же годы И. А. Вышнеградский сформулировал математи­ческую теорию регуляторов.

Рис. 1.6

Поплавковый регулятор уровня воды

Поплавок

Клапан

Перед Второй мировой войной развитие теории и практики управления в США и За­падной Европе шло по несколько иному пути, нежели в России и Восточной Европе. В США в это время основные усилия были направлены на применение обратной связи в си­стемах телефонии и электронных усилителях. Главные достижения здесь принадлежат Боде, Найквисту и Блэку, которые предложили описывать работу усилителей с обратной связью с помощью частотных характеристик. Напротив, в бывшем Советском Союзе из­вестные математики и механики опережали западных ученых в области собственно тео­рии управления, причем акцент делался на анализ систем во временной области с исполь­зованием дифференциальных уравнений.

Большой толчок развитию теории и практики автоматического управления дала Вто­рая мировая война, когда возникла потребность в создании автопилотов, систем орудий­ной наводки, станций радарного слежения и других устройств военного назначения, рабо­тающих на основе принципа обратной связи. Сложность систем военного назначения и ожидаемые выгоды от их применения побудили расширить круг технических средств и обострили интерес к системам управления и разработке новых методов их синтеза и ана­лиза. До 1940 г. в большинстве случаев синтез систем управления проводился методом проб и ошибок и являлся своего рода искусством. В 40-е годы значительно выросло число аналитических методов синтеза, и теория управления по праву стала настоящей инженер­ной дисциплиной.

После Второй мировой войны в теории управления по-прежнему преобладали час­тотные методы, но наряду с этим возросла роль преобразования Лапласа и комплексной 5-плоскости. В 50-е годы акцент в теории управления был сделан на разработку методов, связанных с использованием s-плоскости, в частности, метода корневого годографа. В 80-е годы обычным делом стало применение цифровых компьютеров в системах управле­ния. В настоящее время в США в системах прямого цифрового управления задействовано более 400000 компьютеров, благодаря чему появилась возможность одновременного из­мерения и управления многими переменными.

Запуск первого искусственного спутника Земли и начало космической эры дали но­вый толчок развитию техники управления. Возникла необходимость создания сложных, высокоточных систем управления для ракет и космических зондов, а возросшие требова­ния к точности этих систем и желание минимизировать массу спутников обусловили по­вышенный интерес к теории оптимального управления. Именно поэтому в последние два десятилетия стали популярными методы анализа и синтеза во временной области, разра­ботанные Ляпуновым, Минорским и другими учеными, в особенности Л. С. Понтряги - ным в СССР и Р. Веллманом в США. Теперь не вызывает сомнения, что при решении за­дач анализа и синтеза систем одновременно должны использоваться как частотные, так и временные методы.

Некоторые этапы истории автоматического управления отражены в табл. 1.1.