Исторический путь развития автоматики

А.В. Лихачев

Конспект лекций

По дисциплине

«Автоматика»

для выполнения лабораторно-практических занятий студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника», 110800.62 «Агроинженерия»

Санкт-Петербург, 2014

Рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией энергетического факультета (протокол № от 20__ г.)

Для студентов студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника», 110800.62 «Агроинженерия».

Рецензенты: заведующий кафедрой Электрических машин и электропривода СПбГАУ, доктор технических наук, профессор Алексей Павлович Епифанов.

Ó Санкт-Петербургский государственный

аграрный университет

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Автоматика» изучается студентами по специальностям 110800 – «Агроинженерия» в течение 9 семестра. Она является теоретической базой для изучения последующих специальных дисциплин. Материал дисциплины базируется на сведениях, излагаемых в дисциплинах “Физика”, ”Высшая математика”, ”Электротехника”.

Целью изучения дисцмплины является - активное закрепление, обобщение, углубение и расширение знаний, полученных при изучении базовых дисциплин, приобретение новых знаний и сформировать умения и навыки, необходимые для последующей инженерной деятельности.

Основными задачами при освоении дисциплины являются в изучении основ теории автоматического управления и регулирования сельскохозяйственными и промышленными объектами, принципов построения технических средств для автоматизации процессов.

В результате изучения дисциплины студент получит знания об:

общие сведения о системах и элементах автоматики;

принципы построения систем автоматического управления, датчиков, усилительных и исполнительных элементов, регуляторов, архитектуру микропроцессорных систем;

основы теории автоматического управления.

Изложение материала ведется с преимущественной ориентацией на приборы и электронные схемы в интегральном исполнении.

По окончании изучеия студент должен уметь:

- владеть методами расчетов параметров датчиков;

- собрать и отладить автоматическое устройство, включающее источник энергопитания, устройство управления и исполнительный механизм.

- работать с технической литературой, справочниками, ГОСТами и технической документацией.

Наличие полноценного конспекта лекций поможет студенту более глубоко изучить материал и успешно справиться с выполнением индивидуальных заданий и лабораторных работ. Особенно необходимым и полезным будет конспект лекций для студентов-заочников, для которых самостоятельное изучение этой дисциплины представляет большую трудность.

Кандидат технических наук,

доцент А.В. Лихачев

ВВЕДЕНИЕ

Исторический путь развития автоматики

Со времён глубокой древности человечество занималось созданием автоматических устройств, предназначенных для облегчения быта, защиты от окружающих опасностей и развлечений. Ещё Герон Александрийский в одной из первых книг по технике описал устройство, в котором исполнялись различные действия автоматами - куклами. На рубеже нашей эры арабы снабдили водяные часы поплавковым регулятором уровня. В средние века в России был сконструирован автомат в виде фигуры Петра I, встававшей с трона при входе кого-нибудь в комнату.

В 1675 г. Гюйгенс встроил в механические часы маятниковый регулятор хода.

В это же время применяются центробежные маятниковые уравнители хода водяных мельниц.

Быстрое развитие автоматики началось в эпоху первой промышленной революции в Европе на рубеже XVIII и XIX веков. В России в г. Барнауле Ползуновым И.И. в 1765 г. сконструирован первый промышленный регулятор – автоматический поплавковый регулятор питания котла паровой машины. Английский механик Д. Уатт в 1784 г. получил патент на центробежный регулятор скорости паровой машины. Тем самым был открыт фундаментальный принцип управления – принцип обратной связи (принцип Ползунова-Уатта).

В 1868 г. английский физик Д. Максвелл в работе “О регуляторах” впервые поставил и рассмотрел математическую задачу об устойчивости систем регулирования, где рассмотрены переход к исследованию малых отклонений и линеаризация дифференциальных уравнений, совместное рассмотрение уравнений регулятора и машины, формулировка условий устойчивости линейных систем третьего порядка и постановка перед математиками задачи о нахождении условий устойчивости для уравнений произвольного порядка, в результате чего появилась работа Рауса (критерий Рауса).

В 1876 г. в трудах Парижской академии И.А. Вышнеградский опубликовал статьи “Об общей теории регуляторов” и “О регуляторах прямого действия”. В этих работах содержались не только основные этапы работы Максвелла: системный подход, линеаризация, исследование устойчивости, но и делался существенный шаг вперёд при рассмотрении основных показателей качества процесса регулирования: монотонность, колебательность, апериодичность. Работами И.А. Вышнеградского было вскрыто и объяснено знаменитое противоречие между точностью и устойчивостью регулирования: при уменьшении статической ошибки регулирования ниже некоторого критического значения система теряет устойчивость.

Дальнейшее развитие техники регулирования пошло по пути поиска способов преодоления этого противоречия. Переход от регуляторов прямого действия, перемещающих регулирующие органы непосредственно за счёт энергии измерительного органа, к регуляторам непрямого действия, осуществляющим такие перемещения через силовые усилители, с одной стороны, осложнило проблему устойчивости, введя в контур дополнительные инерционные звенья, с другой стороны, сделало схемы регуляторов более гибкими, дав возможность введения в различные точки схемы дополнительных связей и корректирующих звеньев.

В 1830 г. Понселе предложил построить регулятор, действующий по возмущению. Принцип Понселе (принцип компенсации возмущающего воздействия) – второй фундаментальный принцип управления.

В 1845 г. братья Сименсы предложили воздействовать на регулируемый объект в функции производной отклонения регулируемой величины (принцип управления по производным).

В 1892 г. вышла работа знаменитого русского учёного А.М. Ляпунова ”Общая задача об устойчивости движения”. Теория устойчивости движения, созданная А.М. Ляпуновым, имеет исключительное значение для многих прикладных дисциплин.

К началу XX в. теория регулирования выходит из прикладной механики и формируется в общетехническую дисциплину.

В начале ХХ в. выходят работы словацкого учёного А. Стодолы по регулированию гидротурбин и книга русского учёного Н.Е. Жуковского “Регулирование силовых машин”.

В 1932 г. американский учёный Х. Найквист предложил критерий устойчивости по частотным характеристикам системы в разомкнутом состоянии, а в 1936 г. А.В. Михайлов показывает преимущества применения частотных методов, предложив свой критерий устойчивости, не требующий предварительного размыкания цепи.

С введением частотных методов начинается новый этап ускоренного развития теории управления. Американские учёные Г. Боде и Л. Маккол в 1946 г., русский учёный В.В. Солодовников в 1948 г. разработали метод логарифмических частотных характеристик (ЛЧХ). Если ранее синтез систем осуществлялся путём интуиции и изобретательства, то метод ЛЧХ открыл новые возможности для исследования качества регулирования и создания теории синтеза структур и параметров математическими методами.

В 1940-1950 годы сформировалась по существу новая современная теория автоматического управления: в области устойчивости разработаны методы, существенно облегчающие применение различных критериев устойчивости, введены различные количественные оценки показателей качества процессов регулирования (время регулирования, перерегулирование, колебательность, выброс, степень устойчивости).

К.Ф. Теодорчиком, Г.А. Бендриковым, У. Ивенсом, Дж. Тракселом разработан метод корневого годографа. П.С. Стрелков и Э.Г. Удерман получили важные результаты по детальному изучению влияния на переходный процесс расположения нулей и полюсов передаточной функции, в частности путём выделения доминирующих полюсов с целью упрощения исследования. Были развиты различные интегральные оценки качества с помощью определённых интегралов с бесконечным верхним пределом.

Впервые в 1940 г. В.В. Солодовниковым предложен метод исследования регуляторов путём воспроизведения условий работы системы на электронных моделях.

Значительный вклад в развитие теории управления внесли А.А. Красовский, А.А. Фельдбаум, Г. Джеймс, Н. Никольс, Р. Филлипс, И.Н. Вознесенский, Г.В. Щипанов, Б.Н. Петров, Е.П. Попов, В.А. Бесекерский, А.В. Фатеев, А.А. Вавилов, С.М. Фёдоров, Я.З. Цыпкин.

Особенности автоматизации производства в сельском хозяйстве:

Автоматика – отрасль науки и техники, которая охватывает теорию автоматического управления, а также принципы построения автоматических систем и технические средства, для реализации этих систем.

Автоматизация - применение технических средств, экономическо-математических методов и систем управления, освобождающих человека полностью или частично от непосредственного участия в процессе получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации.

Сельскохозяйственному (с/х) производству присущи свои специфические особенности, которые следует учитывать при автоматизации:

1. цикличный, прерывистый характер производства;

2. невозможность сбоев;

3. надежность используемых средств автоматизации;

4. невозможность увеличить выход продукции, уменьшив время и число циклов;

5. наличие существенных и продолжительных вибраций в мобильной технике;

6. большое количество объектов с агрессивными, влажными и запыленными средами;

7. рассосредоточенность с/х машин и установок по огромным площадям, а также удаленность их от ремонтных баз.

В зависимости от функций, выполняемых специальными автоматическими устройствами различают следующие виды автоматизации:

1. Автоматический контроль (автоматическая сигнализация, автоматические измерения, автоматическая сортировка, автоматический сбор информации);

2. Автоматическая защита (релейная защита, автоблокировка);

3. Дистанционное управление (дистанционное управление, телемеханика);

4. Автоматическое регулирование и автоматическое управление (САУ, САР);

5. Автоматизированное управление (автоматизированные системы управления технологическими процессами, системы автоматизированного проектирования, автоматизированные системы сбора экономической информации)

По степени автоматизации производственных процессов различают:

1. частичная автоматизация;

2. комплексная автоматизация;

3. полная автоматизация.

Чем качественней автоматизация, тем меньше себестоимость продукции, тем больше ее выпуск и выше доход.