Н.П. Деменков, Е.А. Микрин - Управление в технических системах (2017)

Управление в технических системахН.П. Деменков, Е.А. МикринУправлениев технических системахДопущено Учебно-методическим объединением вузовРоссийской Федерации по университетскому политехническомуобразованию в качестве учебника для студентов высших учебныхзаведений, обучающихся по направлению подготовки«Управление в технических система:х>>МОСКВАИЗДАТЕЛЬСТВОМГТУ им. Н. Э.

БАУМАНА201727. 03. 04УДКББК681.5:681.314.2.6Д30Рецен.зенты:чл.-корр. РАН, д-р физ.-мат. наук, профессор,декан математико-механического факультета СПбГУ, зав. кафедройприкладной кибернетики СПбГУ Г.А. Леонов;академик РАН, академик РАРАН, заслуженный деятель науки,научный руководитель, первый заместитель Генерального директораФГУП ГосНИИАС, зав. кафедрой факультета управления и прикладноймеханики <<Информационные и управляющие системы>>ФУПМ МФТИ Е.А.

ФедосовДеменков, Н. П.Д30Управление в технических системах: учебникЕ. А. Микрин.-/Н. П.Деменков,Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана,2017. -452, [4] с.: ил.ISBN 978-5-7038-4661-2Изложена теория автоматического управления в применении к техническимсистемам. Рассмотрены характерные особенности систем управления, их математи­ческое описание, синтез корректирующих устройств, а также проектирование опти­мальных и адаптивных систем управления.Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению<<Управление в технических системах>> и изучающих дисциплины <<Основы теорииуправления», «Теория автоматического управления», «Управление в техническихсистемах», << Основы автоматики и системы автоматического управления>> и дР.Учебник может быть полезен для инженерно-технических работников пред­приятий , проектных организаций и институтов, занимающихся вопросами автома­тизации и управления производственными процессами и техническими объектами.УДК 681.5:681.3ББК14.2.6Все права защищены.

Никакая часть данного издания не ,110жет быть воспроизве­дена в какой бы то 11и было форме без пись.метюго разрешения владельцев автор­ских прав. Правовую поддер:J1Ску Издательства обеспечивает Адвокатское бюро«Сергей Москаленко и партнерьт.©©ISBN 978-5-7038-4661-2Деменков Н.П. , Микрин Е.А. ,Оформление. ИздательствоМПУим.

Н. Э . Баумана,20172017ПредисловиеДисцютлина <<Управление в технических системах>> относится к числуфундаментальных. Ее предметом является изучение процессов управлениямашинами, технологическими процессами и техническими объектами с це­лью формирования у студентов навыков, необходимых для формулировкиобоснованного технического задания на проектирование сложной системыуправления техническим объектом или технологическим процессом.Предполагается, что читатели освоили классические разделы высшейматематики (линейную алгебру; дифференциальное исчисление, теориюфункций :комплексного переменного), математическую статистику и теориювероятности, а также курс электротехники. В настоящем учебнике излагают­ся основы теории систем автоматического управлениясистемах-( САУ)в техническихтехнологических машинах и оборудовании, приборных и энер­гетических установках, в движушихся объектах различного назначения.Современные методы обучения предполагают широкое использованиеэлектронных учебников и Интернета, где можно найти значительное :коли­чество учебников и учебных пособий, в том числе и по теории автоматиче­ского управления.

Однако среди отечественных изданий, посвященных во­просам управления техническими системами, нет книг, в которых в сжатойи доступной форме были бы изложены основы локальной автоматики.Цель данного издания-дать представление о характерных особен­ностях систем автоматическогоуправления изадачах,стоящихперед ихразработчиками и пользователями. Освоение материала даст возможностьграмотно выбирать методы исследования систем управления и оцениватьдостоверность результатов, полученных при :компьютерных расчетах.Согласно деятельностному (активному) методу обучения, особое вни­мание уделяется постановке и решению задач управления. Такой подход вомногом мотивирован также развитием :компьютерных средств расчета си­стем управления.

Многие студенты поддаются соблазну сразу <<Нажиматьна кнопки», не разобравшись в существе вопроса. Поэтому главный акцентсделан именно на объяснении принципиально важных явлений и понятий,характерных для систем управления.Предлагается решение следующих основных задач: составление мате­матического описание САУ (разделуправления (разделустройств (раздел2),3)управления (раздел1),исследование устойчивости системповьШiение :качества САУ и синтез корректирующихи проектирование оптимальных и адаптивных систем4),причем независимо от формы математического опи­сания (линейной или нелинейной, непрерывной или дискретной).Удешевление высокопроизводительной элементной базы (микропро­цессоров) и преимущества цифровых регуляторов по сравнению с анало­говыми привели к тому, что цифровые системы составляют основу совре­менньrх средств автоматики.

Поэтому знание методов анализа и синтеза нетолько непрерывньrх, но и цифровьrх систем управления является необхо­димым.Предисловие6Развиваемый подход к обучению технологии управления состоит в том,что методика изучения дисциплины, имея солидные математические основы,в то же время делает акцент на моделирование реальных физических системи их практическое проектирование с учетом накладываемых ограничений.Управление техническими системами-это увлекательная и творческаяобласть деятельности.

По своей суги она является междисциплинарнымпредметом и играет роль стержневой дисциплины в учебных планах техни­ческих университетов. Недаром в МГГУ им. Н.Э. Баумана эта дисциплинаявляется общеуниверситетской и читается всем студентам с учетом, конеч­но, специфики специальности.Данная книга открывает цикл учебников, учебных пособий и моногра­фий, посвященных вопросам теории и практики управления техническимисистемами. Весь цикл можно условно разделить на несколько направле­ний: классические методы теории управления; современные методы теорииуправления; прикладные задачи управления техническими системами в про­мышленности, энергетике и на транспорте.Ограниченный объем книги позволил обозначить лmпь наиболее важ­ные традиционныеисовременные подходы канализу исинтезу системуправления. Для более углубленного изучения материала рекомендуетсяпользоваться дополнительной литературой.Авторы благодарят рецензентов, которые внимательно прочитали ру­копись и высказали много полезных замечаний.

Все они были учтены приподготовке настоящего учебника.Академик РАН, д-р техн. наук, профессорЕ.А. МикринСписок основных сокращений и обозначенийАВМаналоговая вычислительная мапmнаАКОРаналитическое конструирование оптимальных регуляторовАСУАСУ ТП -автоматизированная система управленияавтоматизированная система управления технологическимпроцессомАФЧХАЦПБЗГАГОСДЭСИПФИСУИУКУКЧХЛАФЧХ-амплитудно-фазовая частотная характеристикааналого-цифровой преобразовательбаза знанийгенетический алгоритмгибкая обратная связьдинамическая экспертная системаимпульсная переходная функцияинтеллектуальная система управленияисполнительное устройствокорректирующее устройствокомплексная частотная характеристикалогарифмическая амплитудно-фазовая частотнаяхарактеристикаЛПРлчмнкмпМПФМСАУнгпкнсНЧнэосОУПКУплкПФРБДСАРСАУскоСЭРТАРТАУтпУВМЦАП-лицо, принимающее решениелинейная частьметод наименьших квадратовмикропроцессорматричная передаточная функциямикропроцессорная система автоматического управлениянизкочастотный генератор периодических колебанийнейронная сетьнеизменяемая частьнелинейный элементобратная связьобъект управленияпоследовательное корректирующее устройствопрограммируемый логический контроллерпередаточная функцияреляционная база данныхсистема автоматического регулированиясистема автоматического управлениясреднеквадратическая опmбкасистема экстремального регулированиятеория автоматического регулированиятеория автоматического управлениятехнологический процессуправляющая вычислительная машинацифроаналоговый преобразовательСписок основных сокращений и обозначений8ЦПУ-ЭВМА, В, СА( ro)-центральное процессорное устройствоэлектронная вычислительная машинаматрицыамплитудная частотная характеристикаq>(ro)-e(t)ck- сигнал ошибки- коэффициенты ошибкиf(t)-возмущающее воздействие общего характераu(t)-управляющее воздействиеx(t)-управляемая переменнаяхh(t)L(ro)фазовая частотная характеристикавектор параметровпереходная функциялогарифмическая амплитудно-частотная характеристикаТ-roер-частота срезаW(s)- передаточная функцияпостоянная времеJ-ш звенаW (s) -передаточная функция разомкнутой системыФ(s)передаточная функция замкнутой системыр-W(jro) -комплексная или амплитудно-фазовая частотная характеристикаmjt)-математическое ожиданиеRJr:)-корреляционная функция стационарного случайного процессаRx/ -r)X(t)-взаимная корреляционная функция стационарных случайныхпроцессовX(t)иY(t)S(ro)-спектральная плотность случайного сигналаW(z)-передаточная функция стационарной дискретной системы~-шаг (период) дискретности по времениq-шаг квантования по уровню8(t)\-дельта-функция11 х 11-норма элемента хе2корни характеристического уравнения-среднеквадратическая ошибкаcr,-среднеквадратическое отклонениеK(t)-импульсная переходная функцияВведениеПод управлением понимается организация процесса, который обеспе­чивает достижение определенной цели.

Кибернетика-наука об общихзакономерностях управления в живом организме, машине, обществе. Какправило, кибернетика имеет дело с объектами разной физической природы.Техническая кибернетикаления--теория автоматического регулирования и управ­является инструментом изучения процессов управления в техни­ческих системах. Автоматика (управление в технических системах)-этонаука об общих принципах и методах построения автоматических систем,т. е.

систем, выполняющих поставленные перед ними цели без непосред­ственного участия человека .Использование прющипов автоматики, а также технических средств,реализующих эти принципы, в различных отраслях промьшшенности на­зывается автоматизацией. Автоматизация является мощным технико-эко­номическим и социальным фактором, одной из основных составляющихсовременного научно-технического прогресса. Различают частичную и ком­плексную автоматизацию (рис .УровеньBl).5КомплекснаякоординаuияавтоматизацияУровень4управлениеУровень3ЧастичнаярегулированиеУровеньавтоматизаuия2измерениеУровеньпроцесс1 ,........__........,,........._1_._,,........._.........., 119 . . . .

. ---.:_._. . . .~ТП-N-=...--....,.......t--_..........._ _ _r1_______-~_ _ _ J11I _ _'_-_-_-_-_-_-_-_'-Рис.Bl . Структура автоматизированного технологического комплексаили технического объектаПри частичной автоматизации технические средства автоматики осу­ществляют лишь простые функции управления, связанные с измерением,анализом и контролем значений различных физических величин, а такжеотработкой решений, принятых оператором в виде уставок, программ илидругих сигналов управления.