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-

„ „ Измеренная

Паровой котел Пар Клапан

Уатта

Металлические

шарики

Рис. 1.5

Центробежный регулятор

История автоматического управления

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.

История автоматического управления

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.

Таблица 1.1. Избранные этапы развития теории и систем автоматического управления

1769

Дж. Уатт разработал паровую машину с регулятором. Это считается началом Промышленной Революции в Великобритании. За время Промышленной Революции достигнуты большие успехи в механизации процессов, считающейся предшественни­цей автоматизации

1800

Эли Уитни предложил концепцию взаимозаменяемости деталей при производстве мушкетов. Это считается началом эпохи массового производства

1868

Дж. Максвелл создал математическую модель регулятора для паровой машины

1913

Генри Форд на своем предприятии внедрил механизированную сборку автомобилей

1927

Г. Боде занимается анализом усилителей с обратной связью

1932

Г. Найквист разработал метод анализа устойчивости систем

1952

В Массачусетском технологическом институте разработаны станки с числовым программным управлением

1954

Джорж Девол создал «устройство для переноса предметов», считающееся прообразом

промышленных роботов

1960

На основе идей Девола создан первый робот «Юнимейт». В 1961 г. такие роботы начали применяться для обслуживания штамповочных станков

1970

Предложены модели систем в переменных состояния; разработана теория оптимального управления

1980

Подробно исследуются робастные системы управления

1990

Предприятия, работающие на экспорт, широко внедряют автоматизацию

1994

Системы управления с обратной связью устанавливаются в автомобилях.

В производстве появляется спрос на надежные робастные системы управления

СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Требования к качеству системы в частотной области

Мы постоянно должны задавать себе вопрос: какая связь существует между частотными характеристиками системы и ожидаемым видом её переходной характеристики? Другими словами, если задан набор требований к поведению системы во временной …

Измерение частотных характеристик

Синусоидальный сигнал можно использовать для измерения частотных характеристик ра­зомкнутой системы управления. На практике это связано с получением графиков зависи­мости амплитуды и фазового сдвига выходного сигнала от частоты. Затем по этим …

Пример построения диаграммы Боде

Диаграмма Боде для передаточной функции G(s), содержащий несколько нулей и полюсов, строится путём суммирования частотных характеристик, соответствующих каждому отде­льно взятому полюсу и нулю. Простоту и удобство данного метода мы проиллюстрируем …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.