Пупков К.В. Методы классической и современной теории автоматического управления. Том 2 (2000)

Цикл учебников и учебных пособий основан в 1997 г. Под общей редакцией заслуженного деятеля науки РФ, доктора технических наук, профессора К.А. Пупкова МЕТОДЫ КЛАССИЧЕСКОЙ И СОВРЕМЕННОЙ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Учебник в трех томах ТОМ 2 СИНТЕЗ РЕГУЛЯТОРОВ И ТЕОРИЯ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Под редакцией заслуженного деятеля науки РФ, доктора технических наук, профессора НД.

Егупова Рекомендовано лзинистерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по машиностроительным и приборостроительным специальностям Москва Издательство МГТУ нм. Н.Э.

Баумана 2000 УДК 681.5:681.3 (075.8) ББК 14.2.6 М54 Рецепзенты: 1. Академик РАН Е.П, Попов; 2. Кафедра автоматических систем Московского института радиотехники, электроники и автоматики (заведутощий кафедрой, член-корреспондент РАН ЕД Теряев). Авторы: Д-р техн. наук, проф.

К.А. Пупков, д-р техн. наук, проф. НД. Егунов, д-р техн. наук, проф. А.И. Биркин, д-р техн. наук Е.яА, Воронов, инженер Э.П. Козубов, канд. техн. наук, доц. В.Г. Коньков, канд. техн. наук, доц. В.И Красном(вчвкко, канд. техн. наук, доц. А.П. Курдюков, канд. техн. наук, доц.

В.Н. Пилишкин, д-р техн. наук, проф. В.М Рыбин, канд, техн. наук, доц. В.И. Сивцов, канд. техн. наук, доц. Я.В. Слеквничс, д-р техн. наук, проф. А.И. Трофимов, д-р техн. наук, проф. Н.В. Фалдин !БВХ 5-7038-1627-0 (Т.2) 1БВ)4 5-7038-1579-7 Центральной проблемой расчета и проектировании систем автоматического управлении является проблема обеспечения высокого качесзва ее функционирования, включал оптимизацию по тем или другим критериям; зто — проблема синтеза САУ.

Второй том учебника посвящен изложению методов синтеза регуляторов, обеспечивающих заданное качество процессов управления и позволяющих определить состав, структуру САУ и параметры всех ее устройств из условия удовлетворения заданному комплексу технических требований в классе линейных (стационарных и нестационарных), нелинейных, дискретных и многомерных систем Отражены основные положения молвкьиого управления. Изложены основы теории оптимальных систем классическое вариационное исчисление, принцип максимума Л.С Понтрягина динамическое программирование Р Беллманж аналитическое конструирование регуляторов (АКОР) Рассмотрены проблема моментов, предложенная и обоснованная Н.Н Красовским, и нашедший широкое применение метод математического программирования Отражены подходы, позволяющие синтезировать оптимальные системы с ограничением на фюовые переменные Материал является частью общего курса теории евтомюического управления, читаемого студентам МГТУ им.

Н.Э. Баумана, ТулГУ, ОИАТЭ и других вузов Учебник предназначен для студентов вузов; он может быть также использован аспирантами и инженерами, а некоторые положения — научными работниками, заниммощимися автоматическими системами. УДК 681.5г681.3 (075.8) ББК !4.2.6 О Пупков К.А., Егунов Н.Д., Баркин А И идр,2000 О МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000 О Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000 1БВ)ь) 5-7038-1627-0 (Т.2) 1БВ)Ы 5-7038-1579-7 'М54 Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 3-х т.

Т.2: Синтез регуляторов и теория оптимизации систем автоматического управления / Под ред. Н.Д.Егупова. — Мл Изд-во МГТУ нм. Н.Э. Баумана,2000.-736 об ил. Нашим учителям посвяи[аегпся. ОБЩЕЕ ПРЕДИСЛОВИЕ К УЧЕБНИКУ 1. Особенности учебника. Учебник издается в трех томах, состоящих из четырех частей и заданий для самостоятельной работы. Для него характерно следующее; 1. Учебник охватывает основные положения, составляющие содержание теории автоматического управления.

Изложение материала начинаетск с основных понятий и определений [сущность проблемы автоматического управления, определение системы управления, фундаментальные принципы управления, основные виды и законы автоматического управления и др.) и заканчивается детальным рассмотрением содержания некоторых современных направлений теории автоматического управления. Поскольку курс теории автоматического управления включен в учебные планы различных инженерных специальностей и является одним из важнейших элементов общетехнического образования, учебник может быть рекомендован студентам, заново приобретающим знания в области теории автоматического управления, и специалистам, которым приходится эти знания восстанавливать.

Учебником могут пользоваться также студенты тех специальностей, для которых курс является профилирующим, определяющим квалификацию инженера. При изучении курса студент или специалист должен сделать выборку материала, определяемого конкретной задачей и возможностями общего плана обучения.

2. Содержание учебника имеет инженерную направленность, поэтому изложение ведется с инженерной точки зрения: подчеркиваются главные идеи, лежащие в основе методов, но не всегда приводятся строгие математические доказательства. Учитывая, о без освоения технического аспекта изучение методов теории автоматического управления не приводит к нужному результату [часто имеют место трудности в постановке и решении инженерных задач даже при хороших знаниях теоретических положений), физическая и содержательная сторона дела подчеркивается в течение всего курса.

Более того, значительное внимание уделено рассмотрению конкретных промышленных систем управления. Например, в главе 7 тома 2 рассмотрены системы управления теплоэнергетическими параметрами атомных электростанций; в заланнях для самостоятельной работы описаны системы управления, применяемые в атомной промышленности. Примеры, иллюстрирующие теоретические положения и методы расчета, тесно связаны с решением конкретных инженерных задач в таких отраслях, как атомная энергетика, производство летательных аппаратов и др.

3. Методы теории автоматического управления, рассмотренные в учебнике, в болыиинстве своем ориентированы на применение ЭВМ. Интенсивное развитие процессов автоматизации проектирования систем автоматического управления, обусловленное развертыванием высокопроизводительных вычислительных комплексов в проектно-конструкторских организациях, перемещение центра тяжести процесса проектирования от аппаратного обеспечения к алгоритмическому и программному обеспечению приводят к необходимости разработки нового методологического обеспечения, включая соответствующие вычислительные технологии [136].

Для содержания книги характерна, в известной мере, «вычислительная окраска», поскольку возможности современных ЭВМ позволяют значительно ускорить сроки проектирования САУ и, таким образом, налагают свой отпечаток на вычислительную чань ТАУ. Успех в решении поставленных задач расчета и проектирования с использованием ЭВМ зависит от многих факторов, основными из которых являются: степень адекватности математической модели системы; степень эффективности численных методов ТАУ, используемых в алгоритмическом обеспечении; наличие высококачественного программного обеспечения; от того, насколько успешно используется творческий потенциал исследователя-проектировщика.

При этом решающий фактор остается за человеком, который может решать многие неформализованные задачи. Поскольку системы автоматизированного проектирования (САПР) являются в настоящее время одним из наиболее эффективных средств повышения производительности инженерного труда и научной деятельности, сокрашения сроков и улучшения качества разработок, то в главе 8 (том 1) кратко отражены соответствующие положения, в том числе изложены численные методы (аппарат матричных операторов). Рассмотренное в трехтомнике методологическое обеспечение, ориентированное на применение ЭВМ, может служить базой для решения весьма сложных задач инженерного проектирования САУ. 4.

В учебнике с единых позиций изложены как основные методы классической ТАУ, так и положенил, определягощие содержание некоторых современных направлений теории управления. При рассмотрении материала учитывался тот факт, что периодизация развития ТАУ не является установившейся и общепринятой 11361.

К классическим можно отнести положения, базирующиеся на рассмотрении линейных и нелинейных дифференциальных и разностных уравнений с постоянными и переменными коэффициентами применительно к описанию систем, исследованию их усл|ойчивости и качества процессов. К классическим положениям также можно отнести и описание процессов в пространствах состояний, поскольку в классической теории широко применялось описание движения в фазовом пространстве. В конце пятилесятых — начале шестидесятых годов появились известные работы Л.С.

Понтрягина, Р. Белмана, Р. Калмана, в которых заложены основы теории оптимального управления: принцип максимума, динамическое программирование, функционально-аналитические методы и др. Хорошо известно, что многие идеи теории оптимального управления сформировались на инженерном уровне в классический период ТАУ. Важнейшие результаты теории оптимального управления можно отнести к классическим положениям ТА У. Все указанные положения с необходимой глубиной и полнотой изложены в первых двух томах учебника.

Методы современной ТАУ, интенсивно разрабатываемые в настоящее время и включающие аппарат синтеза грубых систем автоматического управления в пространстве состояний, Н"-теория оптимального управления, задачи оптимизации многообъектных многокритериальных систем с использованием стабильно- эффективных компромиссов, синтез систем автоматического управления методами дифференциальной геометрии Тгеометрический подход), использование неирокомпьютерных управляющих вычислительных систем, основные положения теории катастроф, фракталов, хаоса, а также задачи исследования и проектирования адаптивных и интеллектуальных систем отражены во 2-м и в 3-м томах учебника.