Краткий теоретический материал

Введение

Аналитические исследования целого ряда проблем, которые относятся к предмету теории управления, можно обнаружить еще в работах И. Ньютона, Л. Эйлера, Ж. Лагранжа и других известных ученых, а история искусственных регуляторов и автоматически действующих систем самой разнообразной физической природы восходит к началам цивилизации. Тем не менее, возникновение теории управления (регулирования) как самостоятельной науки принято связывать с первыми публикациями в этой области Дж.К. Максвелла («On Governors», 1868) и И.А. Вышнеградского («Об общей теории регуляторов», 1876), предложивших научное обоснование некоторых проблем устойчивости динамических систем. Первый, так называемый «классический» этап развития науки управления в значительной степени характеризуется инженерной направленностью и использованием, в основном, частотных методов исследований, а ее технические приложения - применением ряда стандартных управляющих устройств (регуляторов) механического и электромеханического типа.

В середине ХХ века развитие технического оснащения всех отраслей человеческой деятельности, усложнение процессов, подлежащих управлению, и повышение требований к качеству автоматических систем привело к изменению облика теории управления. В этом немалую роль сыграли кибернетика и развитие средств вычислительной техники. Кибернетика как наука о связи и управлении, выдвигающая на передний план информационную сторону исследуемых динамических систем (в противовес их физическим особенностям), инициировала новый взгляд на процессы управления как процессы обмена и обработки информации. Это сразу же выявило необходимость более интенсивного развития математического аппарата для их описания и удобство временных методов исследования систем. Повышенное внимание, уделяемое аналитическому (математическому) описанию динамических процессов, является ключевой особенностью современной теории управления как науки /1/, впитавшей в себя целый ряд подходов, развитых ранее в механике и математике (работы Ж. Лагранжа, Л. Эйлера, В.Р. Гамильтона, А. Пуанкаре, А.М. Ляпунова и многих других). В этой связи вполне естественным оказалось привлечение метода пространства состояний. Метод ввел в обиход исследователей временной анализ процессов, что позволило взглянуть на многие положения теории управления с позиции развития явлений во времени, и обозначил необходимость пространственной интерпретации динамический процессов. Это, во-первых, дало возможность привлечь хорошо разработанный математиками аппарат линейной алгебры и теории дифференциальных уравнений, а во-вторых, положило начало развитому впоследствии дифференциально-геометрическому подходу.

Интенсивное развитие во второй половине ХХ века вычислительной техники и информатики предоставило необходимый технический аппарат для реализации сложных алгоритмических процедур и практической организации совершенных процессов управления сложными системами, а развитие робототехники, механотроники и других инженерных дисциплин – широкую базу внедрения теории в практику электромеханических и физических систем нового поколения.

Теория автоматического управления ХХI века является основной кибернетической дисциплиной, тесно связанной с новейшими достижениями математики и информатики.

Системы управления автоматизированным производством, системами, представляются объектами, способными к автоматической адаптации относительно окружающей среды и условий эксплуатации.

Квалификация современного инженера по разработке систем автоматизации и управления технологическим оборудованием, технологическим процессом, включающих в себя электронные и микропроцессорные системы, в итоге определяется уровнем его математических знаний в области теории управления и математического моделирования указанных систем на ЭВМ.

Курсовая работа направлена на освоение студентами основ теории управления и математического аппарата моделирования систем управления любой предметной области, нацеливает студентов на освоение системного подхода к разработке автоматизированных систем управления и их программной реализации.

Цели работы:

1. Освоить отдельные понятия и вопросы теории управления (корректирующие элементы, структурно-неустойчивые системы, жесткие и гибкие обратные связи в качестве корректирующих элементов, введение в закон регулирования производных и интегралов, применение астатических звеньев в качестве корректирующих элементов; оптимальный переходный процесс; критерий оптимальности; интегральные методы оценки качества систем).

2. Закрепить навыки работы с программным комплексом моделирование в технических устройствах (ПК «МВТУ»); методику определения устойчивости систем управления (СУ) с помощью частотных и алгебраических критериев устойчивости; методику параметрической оптимизации СУ на примерах линейных СУ.

3. Получить практические навыки программной реализации алгоритмов управления.

Для выполнения работынеобходимо изучить принципы и методику моделирования СУ с помощью ПК «МВТУ», а также понятия коррекции СУ и законы регулирования, особенности параметрической оптимизации СУ, функциональные возможности ПК «МВТУ» и основные этапы работы в ПК, цифровые модели типовых динамических звеньев (ТДЗ).

Краткий теоретический материал

Цели моделирования СУ

В общем случае под термином математическое моделирование автоматических системпонимаются процессы отыскания их математических моделей, а также непосредственного исследования и анализа этих моделей на основе методов теории автоматического управления и регулирования аналитически, графоаналитически или с использованием ЭВМ.

По мере развития вычислительной техники разработано достаточно много прикладных программ применительно к современным компьютерам, обеспечивающих исследование переходных и установившихся процессов в автоматических системах любой сложности и практически в любых режимах работы при изменении их параметров и структуры. Метод исследования СУ на основе таких прикладных программ и является методом математического моделирования с помощью компьютера – методом компьютерного моделирования /2/.Его сущность заключается в том, что на основе математической модели СУ с помощью прикладной программы на компьютере получают графики переходных процессов. Анализируя эти графики, достигают следующих целей:

– определяют устойчивость системы,

– определяют качество системы,

– если система оказывается неустойчивой или показатели качества не отвечают заданным требованиям, то, изменяя параметры элементов СУ или ее структуру (вводя дополнительные корректирующие элементы), добиваются желаемого результата (устойчивости системы или требуемых показателей качества), оптимизируя закон регулирования или параметры регулятора.