Теория автоматического управления

Стальная, М. И. Теория автоматического управления : учеб. пособие / М. И. Стальная, С. Ю. Еремочкин, И. А. Иванов. – Барнаул : ООО «МЦ ЭОР», 2020. ISBN 978-5-6040354-4-3 Учебное пособие к дисциплине «Теория автоматического управления», а также в качестве дополнительного материала для практических занятий по дисциплинам «Системы управления электроприводом», «Проектирование электротехнических устройств», «Электрический привод» для студентов направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» дневной формы обучения.


Место теории автоматического управления в науке

Известно, что нельзя добиться высокой производительности, делая все операции вручную, нужна, в первую очередь, механизация производственного процесса и только после этого можно приступать к автоматизации технологического процесса с помощью различных автоматов. Несколько автоматов, работающих вместе, составляют систему автоматического управления или регулирования (САУ или САР).

В 1938 г. был создан в СССР завод – автомат-шарикоподшипниковый завод, где от начала (из заготовок делали проволоку) и до конца (выпускали готовые шарикоподшипниковые изделия) должны были работать автоматы. Однако оказалось, что завод в сутки работал в среднем 1,5 часа, т. к. при выходе из строя одного автомата весь завод останавливался. Поэтому ученые вплотную занялись вопросом как организации САУ, так и теоретическими вопросами, обеспечивающими надёжность, устойчивость и быстродействие САУ. А для этого надо знать, как поведет себя САУ в различных ситуациях (внутренних и внешних возмущениях). Этим как раз и занимается теория автоматического регулирования (ТАР) и управления (ТАУ).

Изучение поведения САУ (САР) в разных статистических и динамических режимах, а также выдачей рекомендаций по способам улучшения поведения САУ (САР) при различных ситуациях занимаются ТАР и ТАУ, которые, в свою очередь, являются составной частью более общей дисциплины – кибернетики.

Кибернетика – наука о целеустремлённом оптимальном управлении сложных систем. Кибернетика состоит из четырех частей (разделов):

- сбор и обработка априорной информации – этим занимается теория информации (ТИ);
- изучает поведение объекта при внешних и внутренних воздействиях – ТАУ и ТАР;
- вырабатывает методы получения и переработки информации о протекающих процессах на объекте – ТИ;
- вырабатывает управляющие воздействия, обеспечивающие оптимальное управление объектом – ТАУ.

В зависимости от того, к какой области знаний применяется информационно-управленческий подход к изучению процессов, различают: техническую кибернетику (ТК), биологическую кибернетику (БК), экономическую кибернетику (ЭК), медицинскую кибернетику (МК) и т. д.

Как уже излагалось, наука о целеустремлённом управлении техническими объектами называется технической кибернетикой (ТК). Теоретически-ми разделами ТК (как и всякой другой) является: ТИ – связанной со сбором и переработкой информации и ТАУ – связанной с исследованием и управлением системами без непосредственного участия человека. В основу ТАУ положена ТАР, которая сформировалась к 1940 г. ТАУ и ТАР активно разрабатываются и в настоящее время.


Содержание

Введение    
Глава 1. Общие понятия    
1.1 История развития ТАУ    
1.2 Место теории автоматического управления в науке    
Глава 2. Основные определения    
Глава 3. Математическое описание объектов САР (САУ)    
3.1 Нахождение математического описания объектов САР    
3.2 Математическое исследование САУ и САР    
3.3 Операционная форма записи дифференциальных уравнений    
3.4 Преобразование Лапласа
3.4.1 Прямое преобразование Лапласа (s-преобразование)
3.4.2 Изображение некоторых функций через ПЛ
3.4.3 Обратное преобразование Лапласа
3.5 Универсальность математического описания объектов САУ (САР)
Глава 4. Типовые динамические звенья САУ (САР)
4.1 Пропорциональное звено
4.2 Инерционное апериодическое звено
4.2.1 Передаточная функция
4.2.2 Частотные характеристики
4.2.3 Логарифмические частотные характеристики
4.3 Колебательное звено
4.4 Идеальное интегральное звено
4.5 Реальное интегральное звено
4.6 Дифференциальное идеальное звено
4.7 Дифференциальное реальное звено
4.8 Форсирующее звено
4.9 Запаздывающее звено
Глава 5. Графическое построение логарифмических частотных характеристик
5.1 Графическое построение ЛАЧХ
Глава 6. Соединения типовых звеньев в структурных схемах САР
6.1 Последовательное соединение типовых звеньев САР.    
6.2 Определение математического описания САР «черного ящика» или числа последовательно соединенных звеньев и числовых значений параметров звеньев
6.3 Параллельно-согласное соединение звеньев
6.4 Параллельно-встречное соединение звеньев
6.4.1 Примеры использования формул передаточных функций для САР с обратными связями
Глава 7. Структурные преобразования САР
7.1 Правила, используемые при структурных преобразованиях
7.2 Примеры использования правил структурных преобразований САР
Глава 8. Устойчивость САУ. Основные понятия
Глава 9. Критерии устойчивости САР
9.1 Алгебраические критерии устойчивости
9.1.1 Критерий устойчивости Рауса
9.1.2 Алгебраический критерий Гурвица
9.2 Алгебро-графический критерий Вышнеградского
9.3 Частотные критерии устойчивости САР
9.3.1 Частотный критерий Михайлова
9.3.2 Частотный критерий устойчивости Найквиста
9.3.3 Логарифмический критерий устойчивости
9.3.4 Понятие о запасе устойчивости
Глава 10. Качественные показатели САР и САУ
10.1 Непосредственные методы определения качественных показателей САР
10.2 Косвенные методы определения качественных показателей САУ
10.2.1 Точность. Ошибка САУ в установившемся режиме
10.2.2 Оценка быстродействия системы по распределению корней
10.2.3 Интегральные методы оценки качества
10.2.4 Частотные методы оценки качества. Логарифмический частотный метод
10.2.5 Рекомендации определения качественных показателей, замкнутой САР по ЛАЧХ, разомкнутой САР
Глава 11. Синтез корректирующих устройств
11.1 Последовательное включение корректирующих устройств
11.2 Параллельно-встречное включение корректирующих устройств
11.3 Построение желаемой ЛАЧХ
Глава 12. Экспериментальное исследование САР и САУ
Глава 13. Особые линейные САР
13.1 Линейные системы высокого порядка c элементами запаздывания.
13.2 Линейные САР с переменными параметрами.
13.3 Нелинейные системы.
13.4 Дискретные системы. Типы дискретных модуляций.