Лекция №1
ВВОДНАЯ ЛЕКЦИЯ
Первоначально развитие промышленных установок и производственных процессов происходило параллельно развитию автоматики, которая приспосабливалась к существующим условиям работы автоматизируемых объектов. При этом создавались автоматические системы регулирования отдельных простейших устройств (частичная автоматизация), которые в ряде случаев оказывались мало эффективными.
В последующий период решалась задача комплексной автоматизации производственных и технологических процессов, а также промышленных и транспортных установок в целом. Развитие комплексной автоматизации основывается на переходе к новым, более совершенным технологическим процессам в непрерывно-поточной форме. Широко применяются автоматические приборы и устройства, заменяющие труд человека в управлении технологическими процессами и техническими устройствами. Выдвигаются принципиально новые требования к автоматизации промышленных установок и технологических процессов, обусловливающие разработку автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) в целом.
Технический прогресс в развитии промышленности и исследовании космоса поставил задачу создания систем исключительно высокой точности и минимальной сложности. Такие автоматические системы должны без участия оператора находить условия высокоэффективного ведения процесса в данной обстановке. В связи с этим дальнейшее развитие теории и практики автоматического управления связано с выявлением предельных возможностей систем и построением систем, наилучших (оптимальных) по какому-либо технико-экономическому показателю.
К понятию оптимальности естественно приходят, пытаясь решить какую-либо задачу при определенных условиях наилучшим образом. Принципы оптимального управления используют в технике, экономике, военном деле и других областях.
Применение принципа оптимальности в технике позволяет осуществить оптимальное управление различными техническими устройствами и технологическими процессами, т. е. для заданного объекта управления и условий его работы обеспечить наилучшие показатели качества, характеризующие режим его работы. Оптимальное управление широко используется в период комплексной автоматизации технологических и производственных процессов или сложных технических устройств. При этом рассматривается задача оптимизации режимов с учетом ограничений, определяемых условиями работы объекта управления, для детерминированных и случайных сигналов как при неизменных, так и изменяющихся параметрах и характеристиках объекта управления и сигналов внешних воздействий.
Теория оптимального быстродействия впервые была изложена в трудах А.А.Фельдбаума, который в 1953–1956 гг. ввел понятие оптимальных по быстродействию процессов. В этот же период Я.З.Цыпкин рассмотрел вопрос об определении моментов переключения реле для оптимальных процессов в релейных системах. Основные результаты по разработке оптимальных по быстродействию систем при комплексно-сопряженных корнях характеристического уравнения объектов второго порядка получены американским математиком Бушау.
Акад.Л.С.Понтрягин сформулировал в 1956 г. принцип максимума, являющийся единым математическим аппаратом теории оптимальных по быстродействию процессов для систем n-го порядка с несколькими управляющими органами в случае ограниченных по модулю координат управления.
В 1961–1962 гг. Н. Н. Красовским и А. М. Летовым была разработана теория аналитического конструирования оптимальных регуляторов, применение которой позволяет проектировать оптимальные по точности системы.
В период 1940–1965 гг. Н. Винером, Р. Калманом и Р. Бьюси создана теория оптимальных систем при случайных сигналах.
Дальнейшее развитие теория и практика оптимальных систем получили в трудах В.Г.Болтянского, Р.В.Гамкрелидзе, С.В.Емельянова, В.И.Зубова, Н.Н.Красовского, А.М.Летова, Б.Н.Петрова, В.М.Пономарева, Е.П.Попова, А.В.Репникова, Л.И.Розоноэра, В.В.Солодовникова, М.Е.Салуквадзе, Я.З.Цыпкина и др., а также в трудах зарубежных ученых– М.Атанса, Р.Беллмана, Н.Винера, Р.Калмана, Б. Куо, М.Фалба и др.
Задачи дальнейшего совершенствования систем управления технологическими и производственными процессами, а также сложными техническими устройствами требуют увеличения объема информации, необходимой для функционирования систем управления.
Если параметры и характеристики объекта управления не являются стабильными, а статистические характеристики сигналов внешних воздействий изменяются произвольно, то неизменная (жесткая) настройка оптимальных систем по начальной информации не позволяет обеспечить оптимальные процессы из-за недостаточности информации. Для повышения качества управления объектами при неполной информации (в условиях неопределенности) применяют принцип адаптации.
Первые разработки автоматических систем, обладающих свойствами оптимальности и адаптации, обусловлены созданием экстремальных автоматических систем. В настоящее время теория и практика экстремальных систем достигли значительных успехов. Промышленностью выпускаются типовые экстремальные регуляторы (оптимизаторы), существенно улучшающие технико-экономические показатели производственных и технологических процессов. При дальнейшем совершенствовании автоматических систем, обладающих свойствами адаптации, предусматривается разработка адаптивных систем, обеспечивающих самонастройку параметров или структуры регулятора и обладающих свойствами самообучения в зависимости от условий функционирования.
Применение принципов оптимальности и адаптации в технике позволяет создавать наиболее совершенные автоматические системы, обладающие высоким качеством функционирования в реальных условиях, такие, как обучающиеся автоматические системы и биокибернетические системы.