1. Математическое описание объектов управления
1.1. Возникновение и общие принципы управления (Лекция 1)
1.1.1. Управление в технических системах
1.1.1.1. Первые примеры систем управления
Одновременно с появлением технических систем возникла необходимость разработки систем управления для них. Одной из первых технических систем, достаточно сложных и требующих обязательного применения автоматического управления или регулирования, была паровая машина, изобретенная И.И. Ползуновым в 1763 и запатентованная в виде универсального двигателя в 1774 - 1784 гг. Дж. Уаттом.
С момента создания и до конца 19 века (до создания двигателей внутреннего сгорания и электрических двигателей) паровые двигатели являлись единственными силовыми установками на транспорте и в промышленности. Как известно, схема паровой машины представляет собой цилиндр с поршнем, который кривошипом соединен с коленчатым валом. В цилиндр подается пар, нагретый до высокой температуры в паровом котле, пар толкает поршень, который совершает возвратно-поступательное движение, преобразуемое с помощью коленчатого вала во вращательное.
В паровой машине возникли сложные задачи регулирования, назовем две из них: 1) как обеспечить постоянную скорость вращения вала машины; 2) как обеспечить постоянный уровень воды в паровом котле.
Заглянуть в котел конечно нельзя. В связи с этим был изобретен поплавковый регулятор уровня жидкости, который используется в различных модификациях и по сегодняшний день: самый простой и широко распространенный пример - регулирование уровня воды в сливном баке в туалете.
Для решения первой задачи - регулирования скорости вращения вала Дж. Уатт изобрел центробежный регулятор скорости также довольно простой и одновременно надежный регулятор. Его суть в следующем (рис.1.1). На вал насажены две муфты, одна подвижная, другая неподвижная. Между ними пружина. С неподвижной муфтой с помощью шарниров связаны грузы.
Рис. 1.1. Центробежный регулятор скорости
Центробежная сила грузов пропорциональна скорости вращения вала. В результате подвижная муфта скользит вверх при увеличении скорости и вниз при ее уменьшении. С ней связана задвижка, клапан, регулирующий подачу пара и скорость.
1.1.1.2. Определение управления
С появлением энергосиловых установок другого типа - дизельных, электрических, с увеличением их мощности, скорости осуществления операций потребности в управлении быстро нарастали. Нарастала и сложность принципов, в соответствии с которыми нужно было организовывать управление или регулирование.
Управление - это целенаправленная организация того или иного процесса, обеспечивающая достижение определенных заданных целей.
Процессы могут быть самыми разными и происходить в различных системах: технических, социальных, экономических, экологических и т.п. Принципы управления являются достаточно общими и распространяются на системы различной природы. Системы автоматического и автоматизированного управления в первую очередь, конечно, создаются для технических систем.
В последние десятилетия благодаря бурному развитию цифровой техники управление проникает во все отрасли деятельности человека не только в производственных условиях, но и в быту. Если раньше автоматизировались отдельные операции и агрегаты, то теперь автоматизируются производственные процессы, процессы проектирования изделий и технологий, подготовки производства и полностью автоматического управления им, включая решение задач планирования производства, приобретения сырья, управления сбытом и т.д. и т.п. Глобальные сети предоставляют новые широкие возможности для дальнейшего углубления задач управления в экономике и в социальной сфере.