ВВЕДЕНИЕ. 1.1. Основные элементы программирования

ВВЕДЕНИЕ

В число научных дисциплин, образующих науку об управлении, входит теория автоматического управления (ТАУ) и регулирования. Вначале она создавалась для изучения статики и динамики процессов автоматического управления техническими объектами – производственными, энергетическими, транспортными и т. п. Основное ее значение сохранилось и в настоящее время, хотя в последние годы ее выводами и результатами начинают пользоваться и для изучения динамических свойств системы управления не только технического характера, но и экономического, организационного, биологического и т. д.

Для осуществления автоматического управления техническим процессом создается система, состоящая из управляемого объекта и связанного с ним управляющего устройства. Как и всякое техническое сооружение, система должна обладать конструктивной жесткостью и динамической прочностью. Эти чисто механические термины в данном случае несколько условны. Они означают, что система должна выполнять заданные ей функции с требуемой точностью, несмотря на инерционные свойства и неизбежные помехи. Пока объект обладает достаточной жесткостью и динамической прочностью, потребности в автоматическом регулировании не возникает.

С необходимостью построения регуляторов первыми, по-видимому, столкнулись создатели высокоточных механизмов, в первую очередь часов. Даже очень небольшие, но действующие непрерывно помехи, накапливаясь, приводили в конечном итоге к отклонениям от нормального хода, недопустимым по условиям точности. Противодействовать им чисто конструктивными средствами, например, улучшая точность и чистоту обработки деталей, повышая их массу или увеличивая полезные усилия, не всегда удавалось, и для повышения точности в состав часов стали вводить регуляторы. На рубеже нашей эры арабы снабдили поплавковым регулятором уровня водяные часы. В 1675 г. Х. Гюйгенс встроил в часы маятниковый регулятор хода.

Другой причиной, побуждавшей строить регуляторы, была необходимость управлять процессами, подверженными столь сильным помехам, что при этом утрачивалась не только точность, но зачастую и работоспособность системы вообще. Предшественниками регуляторов для подобных условий можно считать применявшиеся еще в средние века центробежные уравнители скорости в водяных мукомольных мельницах. Но хотя отдельные автоматические регуляторы появлялись в давние времена, они оставались любопытными в истории эпизодами и серьезного влияния на формирование техники и теории автоматического управления не оказали. Бурное развитее этих направлений началось лишь в XVIII и XIX столетиях, в эпоху промышленного переворота в Европе.

Первыми промышленными регуляторами этого периода можно назвать автоматический поплавковый регулятор питания котла паровой машины, построенный в 1765 г. И. И. Ползуновым в Барнауле; центробежный регулятор скорости паровой машины, на который в 1784 г. получил патент английский механик Дж. Уатт; первое программное устройство управления ткацким станком от перфокарты (для воспроизведения узоров на коврах), построенное в 1808 г. Ж. Жаккаром. Эти регуляторы как бы открыли путь потоку изобретений принципов регулирования и регуляторов, продолжавшемуся вплоть до середины 20 века.

Паровая машина не случайно стала первым объектом для применения техники и теории регулирования, так как она не обладала способностью устойчиво работать сама по себе, не имела самовыравнивания. Ее неблагоприятные динамические свойства часто приводили к тому, что подключенный к ней регулятор действовал не так, как ожидал конструктор, раскачивал машину или вообще оказывался неспособным управлять ею. Всё это, естественно, побуждало к проведению теоретических исследований. Однако до конца 60-х годов прошлого века теоретические исследования регулирования отличались отсутствием системного подхода. Исследователи ещё не сознавали, что в технике рождается новое направление. Они считали, что регуляторы были лишь вспомогательным придатком к машине, дублировавшим функции маховиков. Во многих работах рассматривались идеальные безинерционные регуляторы. Шагом вперед были работы, учитывавшие динамику регулятора, но и в них регулятор рассматривался отдельно от машины. Авторы обычно добивались хорошего успокоения колебаний самого регулятора, считая, что этого достаточно и для его устойчивой работы в машине. При таких подходах теоретические исследования не могли стать основой для новой науки и были лишь дополнительными частными проработками в рамках прикладной механики, придатком к её разделу о паровых машинах.

Коренное изменение в подходе к проблеме и в методологии исследований внесли три фундаментальные работы, содержащие, по существу, изложение начал новой науки: работы Дж. Максвелла «О регуляторах» (1866) и И.А. Вышнеградского «Об общей теории регуляторов» (1876) и «О регуляторах прямого действия» (1877).

Дж. Максвелл и И.А. Вышнеградский осуществили системный подход к проблеме, рассмотрев регулятор и машину как единую динамическую систему, перейдя к исследованию малых колебаний и линеаризовав сложные дифференциальные уравнения системы, что позволило дать общий методологический подход к исследованию самых разнородных по принципам действия и конструкции систем, заложить основы теории устойчивости и установить ряд важных общих закономерностей регулирования по принципу обратной связи. Особо важную роль в то время сыграла работа И.А. Вышнеградского, отличавшаяся глубоким инженерным подходом, рассмотрением самых важных для техники тех лет объектов и содержавшая кроме ценных практических рекомендаций истоки ряда современных методов исследования качества регулирования. Поэтому И.А. Вышнеградского считают основоположником теории автоматического регулирования.

Работа Дж. Максвелла осталась в то время почти незамеченной, так как она рассматривала малоинтересный для широкого круга инженеров объект (механизм ведения телескопа), явно полезных практических выводов не делала и даже по умозрительным выводам рекомендовала астатические регуляторы, практически непригодные для промышленных машин того времени. Её роль была оценена значительно позднее, когда теория автоматического регулирования сформировалась в самостоятельную общую научную дисциплину.

Уже в ранние годы теория регулирования стала стимулировать разработки математического плана. По рекомендации Дж. Максвелла Раусом был разработан алгоритм для оценки расположения корней характеристического уравнения и устойчивости. По просьбе А. Стодолы А. Гурвицем был выведен детерминантный критерий устойчивости. Работы словацкого инженера и учёного А. Стодолы занимают видное место в теории устойчивости регулирования паровых и гидравлических турбин, в учёте влияния на процесс регулирования длинного трубопровода.

Крупный вклад в теорию внесён Н.Е. Жуковским, автором труда «О прочности движения» и первого русского учебника «Теория регулирования хода машин» (1909). Н.Е. Жуковский дал математическое описание процессов в длинных трубопроводах, рассмотрел влияние сухого трения в регуляторах, исследовал некоторые процессы импульсного регулирования посредством уравнений в конечных разностях.

К началу ХХ века (в первые десятилетия) теория автоматического регулирования формируется как общая дисциплина с рядом прикладных разделов, таких как регулирование:

· электрических машин и систем

Х. Тома (1914), В.С. Кулебакин (1926), С.А. Лебедев и П.С. Жданов, Н.М. Крылов и Н.Н. Боголюбов (1932), Р. Жюильяр (1933);

· двигателей

М. Толпе (1905), У. Тринкс (1919);

· тепловых и паросиловых установок

Т. Штейн (1926), Г. Вюнш, Ю.Г. Корнилов и В.Д. Пивень (30-е годы ХХ века);

· паровых турбин

А.В. Щегляев (1933);

· различных производственных процессов

В. Оппельт (1939) и др.

Особенно чётко мысль о теории регулирования как дисциплине общетехнического характера проводится в работах И.Н. Вознесенского
(1922–1949) – руководителя одной из крупных школ в этой области.

Усложнение системы, связанное с повышением интенсивности процессов, скоростей, требований к точности и качеству, приводит к необходимости создания более эффективных методов исследования.

Мысль исследователей обращается к частотным методам, позволяющим сочетать аналитические и наглядные графические приёмы, теоретические и экспериментальные методы исследования. Появляются работы: Х. Найквиста (1932), в которой рассматривается критерий устойчивости радиотехнических усилителей с обратной связью, основанный на свойствах частотной характеристики разомкнутой системы, и А.В. Михайлова «Гармонический метод в теории регулирования» (1938), в которой обосновывалась целесообразность применения частотных методов в теории регулирования и предлагался новый критерий (критерий Михайлова), не требующий предварительного размыкания цепи регулирования.

В 1946 г. Г. Воде и Л. Мак-Кол ввели логарифмические частотные характеристики.

Флойд для исследования качества предложил аппроксимировать вещественную частотную характеристику суммой трапеций.

Г. Браун, А. Холл, Д. Кемпбелл, Г. Честнат, В.В. Солодников завершили разработку частотных методов синтеза и расчёта систем, придав им форму, удобную для инженерных расчётов.

Развитие теории автоматического регулирования в послевоенные годы было исключительно плодотворным и многогранным, поэтому невозможно, хотя бы бегло, даже упомянуть о всех основных направлениях и авторах. Ограничимся коротким упоминанием об основных новых разделах теории, посвященных разработкам новых фундаментальных принципов управления, выполненных российскими авторами.

Трудами Г.В. Щипанова, В.С. Кулебакина, Б.Н. Петрова и других разработаны теория автоматического регулирования по возмущению, теория компенсации возмущений и инвариантности.