Введение

Предметная область данного учебника обозначена в его заглавии, однако, берясь за изучение данного курса, учащийся должен ясно представлять себе, во-первых, соотношение объема знаний, даваемый этой книгой, ко всему объему знаний по данным вопросам, имеющемуся на сегодняшний день, во-вторых, почув­ствовать место теории автоматического управления в комплексе наук, имеющих непосредственные связи с ней. И, наконец, - уяснить роль и значимость ма­тематического аппарата, применяемого в этой теории.

Проще всего ответить на вопрос о соотношении объема знаний, даваемых учебником, к объему зна­ний, необходимому специалисту (конечно, если не стремиться выразить это соотношением или конкрет­ным процентом). В свое время, видимо, чтобы у уча­щихся не возникало чувства «всезнайства», названия подобных книг включали слово «начала». К сожалению, эта традиция утеряна. Право же, следуя ей, бо­лее правильным названием этого учебника было бы «Начала теории автоматического управления». Весь­ма вероятно, что утрата этой традиции связана с двояким смыслом самого слова «начала» в русском языке. С одной стороны, это истоки, с другой - основы.

Истоки теории автоматического управления уходят в глубь веков. Первые автоматы, то есть машины, работающие без уча­стия человека, были созданы очень давно. Еще греческим ученым Героном Александрийским, жившим в I веке, описано около ста автоматов, известных в то время. Авто­маты древности служили, как правило, развлекательным и религиозным целям. Основы же теории автоматического управления трансформировались в соответствии с углублением самого понятия «управ­ление».

Первые автоматические устройства промышленного назначения были разработаны в связи с появлением паро­вых машин. Изобретение первого в мире промышленного регулятора было осуществлено знаменитым русским механиком И.И. Ползуновым в 1765 г. Это был регулятор, автоматически поддерживавший уровень воды в котле паровой машины. Предложенный И.И. Ползуновым прин­цип регулирования по отклонению является одним из основных принципов построения различных автоматиче­ских систем.

Во второй половине XIX века появились автоматиче­ские устройства, основанные на использовании электри­ческой энергии. Одним из первых таких автоматов был электромагнитный регулятор скорости вращения паровой машины, разработанный русским ученым К.И. Констан­тиновым.

Теоретические основы проектирования автоматических регуляторов были разработаны русским ученым И.А. Вышнеградским и английским ученым Дж.К. Максвеллом, посвя­щенные выбору параметров регулятора Уатта паро­вых двигателей. Обе эти работы были посвящены одной из актуальнейших технических проблем своего времени - проблеме обеспечения постоянства оборо­тов вала парового двигателя при изменяющейся внешней нагрузке. Безупречная логика анализа и от­четливость конечных результатов надолго определили основную тематику и методы исследования возникаю­щей дисциплины.

Для создания и развития математического аппарата, используемого в исследовании автоматических систем, много сделали выдающиеся русские ученые А.М. Ляпунов, П.Л. Чебышев, Н.Е. Жуковский, а после революции И. Н. Вознесенский, А. А. Андронов, В. С. Кулебакин и другие.

Длительное время работы по созданию автоматических систем в механике, теплотехнике, электротехнике и других областях техники велись независимо друг от друга, и только в 40-х годах прошлого столетия автоматика сформи­ровалась в качестве самостоятельной научной дисциплины, изучающей методы анализа и синтеза систем автоматиче­ского управления в технике независимо от их физической природы.

В эти же годы возникла новая научная дисциплина - кибернетика. Слово «кибернетика» происходит от двух греческих слов: «кибер» (в переводе «над») и «наутис» (моряк), то есть «кибернаутис» - старший над моряками. Греческий философ Платон использовал термин «киберне­тика» для названия искусства управления обществом. В 1948 г. американский ученый Н. Винер снова ввел этот термин, определив кибернетику как «науку об управлении и связи в животном мире и машине», или в буквальном переводе с грече­ского как искусство кормчего - рулевого, управляю­щего движением судна.

Кибернетика занимается изучением систем лю­бой природы, способных воспринимать, хранить и пе­рерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования. Поэтому автоматику сегодня рассматривают как один из разделов кибер­нетики, а именно - как раздел, изучающий системы автоматического управления в технике. Этот раздел граничит (причем понятие границы, в общем, очень условно) с такими разделами кибернетики, как теория информации, теория алгоритмов, теория автома­тов, теория идентификации, моделирование, бионика и так далее. В этих разделах кибернетики на сегодняшний день получено много конкретных результатов, необ­ходимых для теории автоматического управления, та­ких как, например, оценка наименьшего количества простых звеньев с заданной схемой действия, необ­ходимого для конструирования управляющего устрой­ства, выполняющего те или иные заданные функции.

Пожалуй, на этом можно было бы закончить об­щие слова о предметной области, излагаемой в этом учебнике, однако в подзаголовке его стоит - матема­тические методы, и поэтому необходимо сказать не­сколько слов по этому поводу. Известная шутка о том, что π для гренландских китов равно 3,14, очень вы­пукло подчеркивает независимость математического аппарата от предмета исследования. И, конечно, ма­тематические методы, излагаемые в этом учебнике, применяются и при решении задач, не имеющих ни­какого касательства к теории автоматического управ­ления, да и возникли многие из них в других обла­стях техники. Так, например, операционное исчисле­ние - основной инструмент исследования линейных систем управления (СУ) появилось в исследованиях по электротехнике, а многие методы исследования не­линейных СУ имеют истоки в теории колебаний; в то же время математический аппарат, связанный с ра­ботами Л. С. Понтрягина и его школы, - детище именно теории автоматического управления.

Наконец, в заключение необходимо сказать о со­ответствии математического аппарата теории автома­тического управления реальным задачам техники. Собственно эта проблема - проблема соответствия (адекватности) - не является привилегией данной теории и возникает всегда при математическом опи­сании конкретных объектов. В этом отношении теория автоматического управления следует проторен­ным путем математической физики, которая с успе­хом долгое время изучала системы, в реальной действительности не существующие: пружины без мас­сы, частицы с массой, но без объема, идеальные жид­кости, которые нельзя налить ни в один сосуд. Дей­ствительно, таких вещей не существует, но это не значит, что математическая физика имеет дело с при­зраками. Верно, пружина без массы нереализуема, но она обладает свойствами (особенно когда этой массой можно пренебречь), придающими ей боль­шую ценность для исследователя, если он хочет по­нять хотя бы такую простую систему, как часы.

И последнее. Данный учебник, впрочем, как боль­шинство учебников, является компиляцией. Желаю­щие более глубоко ознакомиться с теорией автомати­ческого управления могут использовать с этой целью специальную литературу, ссылки на которую даны на страницах учебника.