1. Введение

1.1. Теория автоматического управления как теоретическая основа современных производственных процессов

По мере совершенствования техники производственный процесс усложняется, темпы его возрастают, число операций, выполняемых человеком за счёт мускульной силы, сокращается, в процесс вовлекается всё большее число машин.

Увеличение количества и качества машин, занятых в производстве, большая интенсификация и усложнение технологического процесса поставили человека перед фактом чрезвычайной сложности процесса управления всеми этими комплексами, поэтому ещё в начале развития тепловых машин появились устройства, осуществляющие без участия человека процесс управления машиной для поддержания заданного значения параметра, характеризующего работу машины.

По мере развития техники всё острее вставала проблема изучения управления различными машинами. При этом выяснилось, что законы, в соответствии с которыми действуют различные системы управления, имеют очень много общих черт. Сознание целесообразности комплексного изучения проблем управления постепенно привело к созданию самостоятельной фундаментальной науки об управлении – кибернетики. Составной частью кибернетики является теория автоматического управления, которая изучает проблемы, связанные с управлением какой-либо системой машин (или машиной) без непосредственного участия человека.

1.2. Краткая история развития автоматического управления и его современное состояние

Идея создания машин, которые работали бы “сами собой” без участия человека, возникла давно. Появление первых автоматически действующих устройств часто преследовало развлекательные или религиозные цели. Практического значения автоматы древности и средневековья не имели, так как не могли конкурировать с дешёвым трудом рабов и крепостных крестьян.

Первые автоматические устройства промышленного назначения появились в связи с изобретением и развитием техники паровых машин и турбин. Первый в мире промышленный регулятор изобрёл И.И. Ползунов в 1765 г. Это был регулятор питания водой котла его паровой машины, который автоматически поддерживал заданное значение уровня воды в котле независимо от интенсивности отбора пара. И.И. Ползунов предложил и использовал в этом регуляторе один из основных принципов построения самых разнообразных автоматических устройств – принцип регулирования по отклонению. Через 20 лет Джеймс Уатт использовал на своей паровой машине регулятор для поддержания постоянства частоты вращения вала, построенный на том же принципе. В 1808 г. Жаккард разработал первое программное устройство управления ткацким станком от перфокарты (узор наковше).

Во второй половине XIX века начала развиваться промышленная электротехника, а вместе с ней электрические автоматические устройства. Одним из первых электрических автоматов был электромагнитный регулятор скорости вращения паровой машины, разработанный в 1854 г. механиком и электротехником К.И. Константиновым.

Проектирование первых автоматических устройств велось эмпирическим путём и сопровождалось многочисленными неудачами. Основы научного подхода к проектированию автоматических регуляторов разработал профессор Петербургского технологического института И.А. Вышнеградский в двух своих работах “Об общей теории регуляторов” в 1876 г. и “О регуляторах прямого действия” в 1877 г. Он впервые показал, что машина и регулятор во время работы образуют единую систему и раскрыл динамику их работы. В 1892 г. математик А.М. Ляпунов опубликовал работу “Общая задача об устойчивости движения”, в которой научно обосновал возможность решения вопросов устойчивости регулирования с использованием линеаризованных характеристик. Н.Е. Жуковский ввёл в МВТУ курс “Теория регулирования хода машин”, а лекции издал в 1909 г. В 1932 г. появилась работа Найквиста, в которой был предложен частотный критерий устойчивости автоматического регулирования машин. В 1938-39 гг. А.В. Михайлов предложил ещё один частотный критерий устойчивости.

К середине 1930-х годов появилась необходимость обобщения опыта работы по автоматизации в различных организациях и НИИ. Поэтому в 1934 г. была создана специальная комиссия по телемеханике и автоматике. В результате работы этой комиссии на многих заводах были организованы отделы автоматики. В 1939 г. был создан журнал “Автоматика и телемеханика” и образован институт автоматики и телемеханики.

При автоматизации энергетических объектов широко использовались релейные и импульсные системы, в разработку теории которых в 50-е и 60-е годы XX века внёс большой вклад Я.З. Цыпкин. В эти же годы Б.Н. Петров и В.С. Кулебакин создали теорию инвариантности и независимости работы систем автоматического регулирования от возмущающих воздействий.

В некоторых случаях процесс управления объектом должен обеспечить оптимальное сочетание многих параметров, определяющих эффективность работы объекта в целом. Этим занимается теория оптимального управления, в разработку которой внёс значительный вклад Л.С. Понтрягин.

Бурное развитие получило автоматическое управление в связи с началом освоения космоса автоматическими аппаратами. Такие эпохальные достижения человека, как запуск искусственного спутника Земли, полёт и возвращение человека из космоса, доставка лунного грунта на Землю, исследование атмосферы и грунта Венеры и Марса, сближение с кометой Галлея и др. были бы невозможны без высокого уровня развития автоматического управления и электронно-вычисли­тельной техники.

В литейном производстве всё бóльшее распространение получают как отдельные полуавтоматы и автоматы, так и комплексные автоматические линии и роботизированные комплексы изготовления форм, стержней и отливок, их обработки; имеется опыт автоматической плавки металла и приготовления и раздачи смеси. Значительный вклад в автоматизацию литейного производства внесли Н.Т. Жаров и М.В. Чунаев.