Методы синтеза систем автоматической стабилизацииции и позиционирования
.pdfМЕТОДЫ СИНТЕЗА СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
2019
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт»
МЕТОДЫ СИНТЕЗА СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
Учебное пособие
Харьков «ХАИ» 2019
1
УДК 62-52 (0.75.8) М 54
Викладено загальні відомості про глобальні проблеми і передумови автоматизації. Описано особливості процесу проектування систем автоматичного управління і детальніше – процес ескізного проектування.
Розглянуто три типових методи синтезу систем автоматичної стабілізації і позиціонування. Приділено увагу практичному використанню методів на прикладах вирішення завдань стабілізації і позиціонування для таких об'єктів, як електропривід, квадрокоптер і літак.
Для студентів, що вивчають теорію автоматичного управління і виконують курсові та бакалаврські проекти.
Коллектив авторов: А. Е. Басова, А. С. Кулик,
С. Н. Пасичник, Н. Н. Харина
Рецензенты: д-р техн. наук П. А. Качанов, д-р техн. наук Е. В. Бодянский
Методы синтеза систем автоматической стабилизации и М 54 позиционирования [Текст] : учеб. пособие / А. Е. Басова, А. С. Кулик, С. Н. Пасичник, Н. Н. Харина. − Харьков : Нац. аэрокосм. ун-т
им. Н. Е. Жуковского «Харьков. авиац. ин-т», 2019. − 192 с.
ISBN 978-966-662-684-7
Изложены общие сведения о глобальных проблемах и предпосылках автоматизации. Описаны особенности процесса проектирования систем автоматического управления и более детально – процесс эскизного проектирования.
Рассмотрены три типовых метода синтеза систем автоматической стабилизации и позиционирования. Уделено внимание практическому использованию методов на примерах решения задач стабилизации и позиционирования для таких объектов, как электропривод, квадрокоптер и самолет.
Для студентов, изучающих теорию автоматического управления и выполняющих курсовые и бакалаврские проекты.
Ил. 80. Табл. 4. Библиогр.: 28 назв.
|
УДК 62-52 (0.75.8) |
|
© Коллектив авторов, 2019 |
|
© Национальный аэрокосмический |
|
университет им. Н. Е. Жуковского |
ISBN 978-966-662-684-7 |
«Харьковский авиационный институт», 2019 |
2
Посвящается 60-летию |
Присвячується 60-річчю |
кафедры систем управления |
кафедри систем управління |
летательных аппаратов |
літальних апаратів |
ПРЕДИСЛОВИЕ
ПЕРЕДМОВА
Заставить человека думать − это |
|
Змусити людину думати − це |
||||||||||||
значит сделать для него больше, чем |
означає зробити для неї більше, ніж |
|||||||||||||
|
снабдить его определенным |
забезпечити її певною кількістю |
||||||||||||
|
количеством инструментов. |
|
|
|
|
інструментів. |
||||||||
Чарльз Беббидж (1791−1871) − |
Чарльз Беббидж (1791−1871) – |
|||||||||||||
английский математик, изобретатель |
англійський математик, винахідник |
|||||||||||||
первой аналитической вычислительной |
першої аналітичної обчислювальної |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
машины |
|
|
|
|
|
|
|
машини |
|
Непостижимая |
и |
недоступная |
Незбагненна і недоступна повному |
|||||||||||
полному |
пониманию |
организация |
розумінню |
організація |
|
Природи |
||||||||
Природы |
вызывает |
восхищение и |
викликає |
захоплення |
і |
преклоніння |
||||||||
преклонение |
перед |
|
превосходным |
перед |
чудовою |
досконалістю |
і |
|||||||
совершенством |
и |
|
|
гармонией. |
гармонією. Поступово, крок за кроком, |
|||||||||
Постепенно, |
шаг |
|
за |
шагом, |
людство, осягаючи закони Природи, |
|||||||||
человечество, |
постигая |
законы |
поповнює |
скарбницю |
знань |
про |
||||||||
Природы, |
пополняет |
|
сокровищницу |
доцільну |
діяльність |
при |
вирішенні |
|||||||
знаний о целесообразной деятельности |
актуальних |
проблем |
і |
|
нагальних |
|||||||||
при решении актуальных проблем и |
завдань поточного життя − науку |
|||||||||||||
насущных задач текущей жизни − |
управління |
або |
|
в |
|
сучасному |
||||||||
науку управления или в современной |
трактуванні − науку менеджменту. |
|
||||||||||||
трактовке − науку менеджмента. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Фундаментальная |
|
часть науки |
Фундаментальна |
частина |
науки |
|||||||||
управления − это теория автоматиче- |
управління − це теорія автоматичного |
|||||||||||||
ского управления. Истоки этой теории |
управління. |
Витоки |
|
цієї |
теорії |
|||||||||
прослеживаются в древних |
культурах |
простежуються в |
древніх |
культурах |
||||||||||
первых цивилизаций. До наших дней |
перших цивілізацій. До наших днів |
|||||||||||||
дошло бесчисленное множество разли- |
дійшла |
незліченна |
кількість |
різних |
||||||||||
чных культовых и бытовых изобрете- |
культових і побутових винаходів, що |
|||||||||||||
ний, выполняющих |
|
элементарные |
виконують |
елементарні |
функції |
без |
||||||||
функции без участия человека. К при- |
участі людини. Наприклад, перші |
|||||||||||||
меру, первые автоматические устрой- |
автоматичні пристрої − це капкани, |
|||||||||||||
ства − это капканы, приспособления для |
пристосування для лову звірів, птахів і |
|||||||||||||
ловли зверей, птиц и рыб. Первобытные |
риб. Первісні люди винаходили пастки |
|||||||||||||
люди изобретали ловушки и капканы, |
і капкани, |
використовуючи |
енергію |
3
используя энергию падающего камня, |
каменю, що падає, нахиленого дерева, |
|||||||||
наклоненного дерева, натянутой тите- |
натягнутої |
|
тятеви. |
Ктесибий |
з |
|||||
вы. Ктесибий из Александрии (около II |
Александрії (близько II − I ст. до н. е.) − |
|||||||||
− I вв. до н. э.) − гениальный инженер- |
геніальний інженер-винахідник, ство- |
|||||||||
изобретатель, создал водяные часы, в |
рив водяний годинник, в якому уперше |
|||||||||
которых впервые использовал принцип |
використав |
принцип |
управління |
по |
||||||
управления по отклонению. Герон |
відхиленню. |
Герон Александрійський |
||||||||
Александрийский (около II в. н.э.) – |
(близько II ст. н. е.) − блискучий вина- |
|||||||||
блестящий изобретатель, в своем сочи- |
хідник, який у своєму творі "Пневма- |
|||||||||
нении «Пневматика», описал примерно |
тика" описав приблизно 75 дивовижних |
|||||||||
75 диковинных устройств: автоматы |
пристроїв: автомати для відкривання |
|||||||||
для открывания дверей в храме, прода- |
дверей у храмі, продажу води, автома- |
|||||||||
жи воды, автоматические игрушки. |
тичні іграшки. Перший у світі меха- |
|||||||||
Первые в мире механические часы сма- |
нічний годинник змайстрував буд- |
|||||||||
стерил буддийский монах И– син в 725 |
дійський чернець І– сін у 725 р. н. е., у |
|||||||||
г. н. э., в которых использовалось водя- |
якому використовувалося водяне коле- |
|||||||||
ное колесо как задающий механизм. |
со як задавальний механізм. |
|
|
|||||||
Первой в истории системой с |
Першою в історії системою із |
|||||||||
обратной связью был поплавковый ре- |
зворотним зв'язком був поплавцевий |
|||||||||
гулятор уровня воды в паровом котле, |
регулятор рівня води в паровому котлі, |
|||||||||
изобретенный И. Ползуновым в 1765 г. |
винайдений І. Ползуновим в 1765 р. |
|||||||||
Первым промышленным автомати- |
Першим промисловим |
автоматичним |
||||||||
ческим регулятором считается центро- |
регулятором |
уважається |
відцентровий |
|||||||
бежный регулятор Джеймса Уатта, |
регулятор Джеймса Уатта, розроблений |
|||||||||
разработанный в 1760 г., для регули- |
в 1760 р., для регулювання швидкості |
|||||||||
рования скорости вращения вала паро- |
обертання вала парової машини. |
|
||||||||
вой машины. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Период |
изобретательства |
по- |
Період |
|
|
винахідництва |
за |
|||
средством интуитивного понимания ро- |
допомогою інтуїтивного розуміння ролі |
|||||||||
ли обратной связи в автоматизации, |
зворотного зв'язку в автоматизації, |
|||||||||
продолжался до 1868 года. Всякие по- |
тривав до 1868 року. Усякі спроби |
|||||||||
пытки увеличить точность регулиро- |
збільшити |
|
точність |
|
регулювання |
|||||
вания приводили к затягиванию пере- |
призводили до затягування перехідних |
|||||||||
ходных процессов и даже к потери |
процесів і навіть до втрати стійкості. На |
|||||||||
устойчивости. На этот вызов отре- |
цей виклик відреагували Дж. Максвелл |
|||||||||
агировали Дж. Максвелл и И. Вышне- |
й І. Вишнеградський, що почали |
|||||||||
градский, начавшие закладывать фунда- |
закладати |
|
|
фундамент |
теорії |
|||||
мент теории автоматического управле- |
автоматичного |
управління. |
Значний |
|||||||
ния. Значительный вклад в фунда- |
внесок у фундаментальні основи теорії |
|||||||||
ментальные |
основы теории |
внесли |
зробили |
А. |
|
Ляпунов |
– |
своєю |
||
А. Ляпунов – |
своей докторской работой |
докторською роботою "Загальна задача |
||||||||
«Общая задача об устойчивости дви- |
про стійкість |
руху", |
|
А. |
Стодола, |
|||||
жения», А. Стодола, А. Гурвиц, Х. Най- |
А. Гурвіц, Х. Найквіст та ін. |
|
|
|||||||
квист и др. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4
|
|
Автоматизация интенсивно осваи- |
|
Автоматизація |
інтенсивно |
освоює |
||||||||||
вает различные объекты и процессы че- |
різні об'єкти й процеси людської |
|||||||||||||||
ловеческой деятельности. |
Потребность |
діяльності. Потреба в нових системах |
||||||||||||||
в |
новых |
системах |
автоматического |
автоматичного управління безперервно |
||||||||||||
управления |
непрерывно |
возрастает. |
зростає. |
Створення |
нових |
систем |
||||||||||
Создание новых систем связано с |
пов'язане з процесом проектування. |
|||||||||||||||
процессом проектирования. Проекти- |
Проектування (від лат. projectus – |
|||||||||||||||
рование (от лат. projectus – |
брошенный |
кинутий |
вперед) |
– |
прадавній |
вид |
||||||||||
вперед) |
– |
древнейший |
вид |
челове- |
людської діяльності. |
|
|
|
|
|||||||
ческой деятельности. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
На ранних этапах своего развития |
|
На ранніх етапах свого розвитку |
||||||||||||
проектирование было видом искусства, |
проектування було видом мистецтва, |
|||||||||||||||
носящего рецептурный характер. Се- |
що має рецептурний характер. На цей |
|||||||||||||||
годня |
– это |
вид |
профессиональной |
час |
– це |
вид |
професійної наукової |
|||||||||
научной |
деятельности, |
характери- |
діяльності, що характеризується більш |
|||||||||||||
зующийся |
более высоким |
уровнем |
високим |
рівнем |
|
системності |
і |
|||||||||
системности и формализуемости. |
формалізовності. |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
В процессе развития сформирова- |
|
У процесі розвитку сформувалися |
||||||||||||
лось два принципиальных подхода к |
два |
принципові |
|
підходи |
|
до |
||||||||||
проектированию. Первый подход на- |
проектування. Перший підхід названо |
|||||||||||||||
зван |
эвристическим |
проектированием. |
евристичним |
проектуванням. |
Його |
|||||||||||
Его |
особенности |
заключаются в |
особливості полягають в такому: 1. Є |
|||||||||||||
следующем: 1. Имеются прототипы. |
прототипи. 2. Конкретне технічне |
|||||||||||||||
2. |
Конкретное |
техническое |
задание. |
завдання. 3. Єдина професійна мова. |
||||||||||||
3. Единый профессиональный язык. |
4. Відомі методики та схеми |
|||||||||||||||
4. Известны методики и схемы расче- |
розрахунків. 5. Просте управління |
|||||||||||||||
тов. |
5. |
Простое управление проектом. |
проектом. 6. Об'єм, |
термін і вартість |
6.Объем, срок и стоимость невелики. невеликі. 7. Методологія формується
7.Методология формируется спонтанно спонтанно (метод проб і помилок).
(метод проб и ошибок). 8. Рецептурный |
8. Рецептурний характер. |
|
|
|||
характер. |
|
|
|
|
|
|
Второй подход – |
это |
системное |
Другий |
підхід – |
це |
системне |
проектирование. Он базируется на |
проектування. Він базується на таких |
|||||
таких положениях: 1. Нет прототипов. |
положеннях: |
1. Немає |
прототипів. |
|||
2. Показатели и критерии технического |
2. Показники і критерії технічного |
|||||
задания уточняются |
в |
процессе |
завдання уточнюються |
в |
процесі |
|
проектирования. 3. Множество профес- |
проектування. 3. Безліч професійних |
|||||
сиональных языков. 4. Методики и схе- |
мов. 4. Методики і схеми формуються в |
|||||
мы формируются в процессе проекти- |
процесі проектування. 5. Складне |
|||||
рования. 5. Сложное управление про- |
управління процесом. 6. Об'єм, термін і |
|||||
цессом. 6. Объем, срок и стоимость |
вартість проекту значні. 7. Методологія |
|||||
проекта велики. 7. Методология форми- |
формується науково. 8. Системний |
|||||
руется научно. 8. Системный уровень |
рівень складності об'єкта проектування. |
|||||
сложности объекта проектирования. |
|
|
|
|
5
В настоящее время под проектиро- |
Нині під проектуванням розу- |
||||||||||||
ванием понимаются создание и опии- |
міються створення і опис ідеальних |
||||||||||||
сание идеальных образцов искусствен- |
зразків штучних об'єктів відповідно до |
||||||||||||
ных объектов в соответствии с неко- |
деяких наперед заданих їх властивостей |
||||||||||||
торыми наперед заданными их свой- |
з метою |
подальшої |
матеріальної |
||||||||||
ствами в целях последующей мате- |
реалізації цих об'єктів. |
|
|
|
|||||||||
риальной реализацией этих объектов. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Итак, |
суть |
проектирования – это |
Отже, |
суть |
проектування |
– |
це |
||||||
создание моделей объекта, которые |
створення моделей об'єкта, які будуть |
||||||||||||
будут реализованы материально. |
|
реалізовані матеріально. |
|
|
|
||||||||
Учебное |
пособие |
|
посвящено |
Навчальний |
посібник |
присвячено |
|||||||
одному |
из |
|
первых |
|
этапов |
одному з перших етапів проектування – |
|||||||
проектирования |
|
– |
|
эскизному |
ескізному проектуванню і, зокрема, |
||||||||
проектированию и, в частности, |
типовим |
методам синтезу |
систем |
||||||||||
типовым |
методам синтеза |
систем |
автоматичної |
стабілізації |
|
і |
|||||||
автоматической |
|
стабилизации |
и |
позиціонування. Подані типові методи |
|||||||||
позиционирования. |
Представленные |
базуються на якнайповніших частотних |
|||||||||||
типовые |
методы |
базируются |
на |
моделях об'єктів управління. У |
|||||||||
наиболее полных |
частотных |
моделях |
посібнику наведено історичні відомості |
||||||||||
объектов управления. В пособии |
про розвиток методів, методики |
||||||||||||
приведены |
исторические |
сведения |
о |
синтезу і приклади розрахунків для |
|||||||||
развитии методов, методики синтеза и |
електроприводу, |
квадрокоптера |
й |
||||||||||
примеры расчетов для электропривода, |
літака. |
|
|
|
|
|
|||||||
квадрокоптера и самолета. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Назначение |
учебного |
|
пособия |
Призначення |
|
навчального |
|||||||
заключается в |
оказании |
практической |
посібника полягає у наданні практичної |
||||||||||
помощи |
при |
|
освоении |
|
теории |
допомоги |
при |
освоєнні |
теорії |
||||
автоматического |
управления |
и |
автоматичного управління та виконанні |
||||||||||
выполнении курсовых и |
бакалаврских |
курсових і бакалаврських проектів. |
|
||||||||||
проектов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6
Глава 1 ОТ ПРОБЛЕМ К ЗАДАЧАМ И ДАЛЕЕ К ТЕХНОЛОГИЯМ
АВТОМАТИЗАЦИИ − ТАКОВ ПУТЬ ПРОГРЕССА
Розділ 1 ВІД ПРОБЛЕМ ДО ЗАДАЧ І ДАЛІ ДО ТЕХНОЛОГІЙ
АВТОМАТИЗАЦІЇ − ТАКИЙ ШЛЯХ ПРОГРЕСУ
Управлять всем, что управляется, |
Управляти всім, що управляється, |
а что не управляется − сделать |
а що не керується − зробити |
управляемым. |
керованим. |
Я. З. Цыпкин (1919−1997) − |
Я. З. Ципкін (1919−1997) − |
выдающийся советский |
видатний радянський |
учёный в области |
вчений в області |
автоматического управления |
автоматичного управління |
Какие в мире существуют глобальные проблемы? В чём заключается причина возникновения проблем в человеческой деятельности? Как разрешаются проблемы? Что такое жизненный цикл систем управления? Каковы особенности структуры систем автоматического управления? В чём суть эскизного проектирования?
Які в світі існують глобальні проблеми? У чому полягає причина виникнення проблем у людській діяльності? Як вирішуються проблеми? Що таке життєвий цикл систем управління? Які особливості структури систем автоматичного управління? У чому суть ескізного проектування?
1.1. Проблематика современного |
1.1. Проблематика сучасного |
||||||||||||
|
этапа развития |
|
|
етапу розвитку |
|
|
|||||||
Мы |
живём |
в |
условиях |
Ми |
живемо в |
умовах |
певних |
||||||
определённых |
|
|
|
объективных |
об'єктивних обмежень. Усвідомлення |
||||||||
ограничений. |
Осознание |
обстоятельств |
обставин |
обмеженості |
цього |
Світу |
|||||||
ограниченности |
этого |
Мира приходит |
приходить поступово до жителів усієї |
||||||||||
постепенно к жителям всей Планеты. В |
Планети. У доповіді Римського клубу |
||||||||||||
докладе Римского клуба «Come on! |
«Come on! Капіталізм, короткозорість, |
||||||||||||
Капитализм, близорукость, население и |
населення і руйнування планети», |
||||||||||||
разрушение планеты», посвященном его |
присвяченій його 50-річному ювілею, |
||||||||||||
50-летнему |
|
юбилею, |
отмечаются |
відзначаються наростаюче виснаження |
|||||||||
нарастающее |
|
истощение |
всех |
усіх природних ресурсів і необхідність |
|||||||||
природных |
ресурсов |
и необходимость |
переходу |
|
до |
розумного |
їх |
||||||
перехода |
|
к |
разумному |
их |
використання |
як |
в |
тривалому |
|||||
использованию |
как |
в |
длительном |
пілотованому |
польоті |
на |
космічному |
||||||
пилотируемом |
|
полёте |
на |
космическом |
кораблі [1]. |
|
|
|
|
|
|||
корабле [1]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ограниченность |
ресурсов |
и |
Обмеженість ресурсів і нерозумне |
7
неразумное их использование привело к |
їхнє використання призвело до ряду |
|||||||||||||
ряду проблем мирового значения. |
проблем |
світового |
значення. |
|||||||||||
Проблемы, затрагивающие в настоящее |
Проблеми, що зачіпають зараз життєві |
|||||||||||||
время жизненные интересы населения − |
інтереси населення − це перш за все |
|||||||||||||
это прежде всего экологические. |
екологічні. |
|
Відчутне |
погіршення |
||||||||||
Ощутимое ухудшение среды обитания |
середовища |
проживання |
людини, |
|||||||||||
человека, животных, растений, флоры и |
тварин, рослин, флори і фауни |
|||||||||||||
фауны |
наблюдается |
в |
деградации |
спостерігається |
у |
деградації |
||||||||
показателей качества жизни. Это |
показників якості життя. Це зміна |
|||||||||||||
изменение состава воздуха, ухудшение |
складу повітря, погіршення якості |
|||||||||||||
качества продуктов питания, состава |
продуктів харчування, складу питної |
|||||||||||||
питьевой воды, качества одежды, |
води, якості одягу, поява нових видів |
|||||||||||||
появление новых видов заболеваний в |
захворювань у біосфері, тощо. |
|
||||||||||||
биосфере и т. п. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Экономические проблемы связаны |
Економічні проблеми пов'язані з |
||||||||||||
с |
невозможностью |
обеспечения |
неможливістю |
|
забезпечення |
|||||||||
бескризисного, |
|
стабильного |
и |
безкризового, стабільного і стійкого |
||||||||||
устойчивого |
развития |
экономических |
розвитку економічних відносин як на |
|||||||||||
отношений |
как |
на |
региональных |
регіональних рівнях, так і глобально. |
|
|||||||||
уровнях, так и глобально. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Социальные |
|
|
проблемы |
Соціальні |
проблеми |
зумовлені |
|||||||
обусловлены |
|
|
|
невозможностью |
неможливістю |
забезпечення |
як |
|||||||
обеспечения |
|
как |
стабильного |
и |
стабільного і |
гармонійного розвитку |
||||||||
гармоничного развития социумов, так и |
соціумів, так і безсиллям перед |
|||||||||||||
безсильностью |
перед разрушающей |
руйнівною |
моральністю |
суспільства |
||||||||||
нравственность общества властью денег. |
владою грошей. Як наслідок – істотне |
|||||||||||||
Как |
следствие |
– |
существенное |
розшарування світового суспільства на |
||||||||||
расслоение |
мирового |
общества |
на |
бідних |
і |
багатих, |
тероризм, |
|||||||
бедных |
и |
|
богатых, |
терроризм, |
злочинність, міграція та інші наслідки, |
|||||||||
преступность, миграция и другие |
що погіршують життєві умови людей. |
|||||||||||||
последствия, |
ухудшающие |
жизненные |
|
|
|
|
|
|
||||||
условия людей. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Проблемы |
|
|
здравоохранения |
Проблеми |
охорони |
здоров'я |
|||||||
связаны |
|
с |
|
невозможностью |
пов'язані з неможливістю своєчасного |
|||||||||
своевременного |
|
предупреждения |
и |
попередження та якісної профілактики |
||||||||||
качественной |
|
|
профилактики |
захворювань, а також збільшення |
||||||||||
заболеваний, а также увеличения |
періоду |
активного |
довголіття |
і |
||||||||||
периода |
активного |
долголетия |
и |
впровадження |
культури |
здорового |
||||||||
внедрения культуры здорового образа |
способу життя. |
|
|
|
||||||||||
жизни. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Проблемы |
образования |
населения |
Проблеми |
освіти |
населення |
||||||||
связаны |
с |
растущим |
противоречием |
пов'язані зі зростаючим протиріччям |
||||||||||
между |
увеличивающимся |
объёмом |
між обсягом знань про Світ, що |
|||||||||||
знаний |
о |
Мире |
и |
ограниченными |
збільшуються, |
і |
обмеженими |
8