Управление в технических системах

Управление в технических системах

Н.П. Деменков, Е.А. Микрин 

Управление 
в технических системах 

Допущено Учебно-методическим объединением вузов  
Российской Федерации по университетскому политехническому 
образованию в качестве учебника для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по направлению подготовки 27.03.04 
«Управление в технических системах» 

УДК 681.5:681.3
ББК 14.2.6
 
Д30

Рецензенты: 
чл.-корр. РАН, д-р физ.-мат. наук, профессор,  
декан математико-механического факультета СПбГУ, зав. кафедрой  
прикладной кибернетики СПбГУ Г.А. Леонов;
академик РАН, академик РАРАН, заслуженный деятель науки, 
научный руководитель, первый заместитель Генерального директора  
ФГУП ГосНИИАС, зав. кафедрой факультета управления и прикладной  
механики «Информационные и управляющие системы»  
ФУПМ МФТИ Е.А. Федосов

Деменков, Н. П.
Д30 
 
Управление в технических системах: учебник / Н. П. Деменков, 
Е. А. Микрин. — Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 
452, [4] с.: ил. 
ISBN 978-5-7038-4661-2 

Изложена теория автоматического управления в применении к техническим 
системам. 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 теории 
управления», «Теория автоматического управления», «Управление в технических 
системах», «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 681.5:681.3
ББК 14.2.6

ISBN 978-5-7038-4661-2 

© Деменков Н.П., Микрин Е.А., 2017
© Оформление. Издательство  
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

Предисловие

Дисциплина «Управление в технических системах» относится к числу 
фундаментальных. Ее предметом является изучение процессов управления 
машинами, технологическими процессами и техническими объектами с целью формирования у студентов навыков, необходимых для формулировки 
обоснованного технического задания на проектирование сложной системы 
управления техническим объектом или технологическим процессом.
Предполагается, что читатели освоили классические разделы высшей 
математики (линейную алгебру, дифференциальное исчисление, теорию 
функций комплексного переменного), математическую статистику и теорию 
вероятности, а также курс электротехники. В настоящем учебнике излагаются основы теории систем автоматического управления (САУ) в технических 
системах — технологических машинах и оборудовании, приборных и энергетических установках, в движущихся объектах различного назначения.
Современные методы обучения предполагают широкое использование 
электронных 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 сжатой 
и доступной форме были бы изложены основы локальной автоматики.
Цель данного издания — дать представление о характерных особенностях систем автоматического управления и задачах, стоящих перед их 
разработчиками и пользователями. Освоение материала даст возможность 
грамотно выбирать методы исследования систем управления и оценивать 
достоверность результатов, полученных при компьютерных расчетах.
Согласно деятельностному (активному) методу обучения, особое внимание уделяется постановке и решению задач управления. Такой подход во 
многом мотивирован также развитием компьютерных средств расчета систем управления. Многие студенты поддаются соблазну сразу «нажимать 
на кнопки», не разобравшись в существе вопроса. Поэтому главный акцент 
сделан именно на объяснении принципиально важных явлений и понятий, 
характерных для систем управления.
Предлагается решение следующих основных задач: составление математического описание САУ (раздел 1), исследование устойчивости систем 
управления (раздел 2), повышение качества САУ и синтез корректирующих 
устройств (раздел 3) и проектирование оптимальных и адаптивных систем 
управления (раздел 4), 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 современных средств автоматики. Поэтому знание методов анализа и синтеза не 
только непрерывных, но и цифровых систем управления является необходимым.

Предисловие

Развиваемый 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 систем 
и их практическое проектирование с учетом накладываемых ограничений. 
Управление техническими системами — это увлекательная и творческая 
область деятельности. По своей сути она является междисциплинарным 
предметом и играет роль стержневой дисциплины в учебных планах технических университетов. Недаром в МГТУ им. Н.Э. Баумана эта дисциплина 
является 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 техническими 
системами. Весь цикл можно условно разделить на несколько направлений: классические методы теории управления; современные методы теории 
управления; прикладные задачи управления техническими системами в промышленности, энергетике и на транспорте. 
Ограниченный объем книги позволил обозначить лишь наиболее важные традиционные и современные подходы к анализу и синтезу систем 
управления. Для более углубленного изучения материала рекомендуется 
пользоваться дополнительной литературой.
Авторы благодарят рецензентов, которые внимательно прочитали рукопись и высказали много полезных замечаний. Все они были учтены при 
подготовке настоящего учебника.

Академик РАН, д-р техн. наук, профессор 
Е.А. Микрин

Список основных сокращений и обозначений

АВМ 
— аналоговая вычислительная машина
АКОР 
— аналитическое конструирование оптимальных регуляторов
АСУ 
— автоматизированная система управления
АСУ ТП — автоматизированная система управления технологическим
процессом 
АФЧХ 
— амплитудно-фазовая частотная характеристика
АЦП 
— аналого-цифровой преобразователь
БЗ 
— база знаний
ГА 
— генетический алгоритм
ГОС 
— гибкая обратная связь
ДЭС 
— динамическая экспертная система
ИПФ 
— импульсная переходная функция
ИСУ 
— интеллектуальная система управления
ИУ 
— исполнительное устройство
КУ 
— корректирующее устройство
КЧХ 
— комплексная частотная характеристика
ЛАФЧХ — логарифмическая амплитудно-фазовая частотная 
характеристика
ЛПР 
— лицо, принимающее решение
ЛЧ 
— линейная часть
МНК 
— метод наименьших квадратов
МП 
— микропроцессор
МПФ 
— матричная передаточная функция
МСАУ — микропроцессорная система автоматического управления
НГПК 
— низкочастотный генератор периодических колебаний
НС 
— нейронная сеть
НЧ 
— неизменяемая часть
НЭ 
— нелинейный элемент
ОС 
— обратная связь
ОУ 
— объект управления
ПКУ 
— последовательное корректирующее устройство
ПЛК 
— программируемый логический контроллер
ПФ 
— передаточная функция
РБД 
— реляционная база данных
САР  
— система автоматического регулирования
САУ 
— система автоматического управления
СКО 
— среднеквадратическая ошибка
СЭР 
— система экстремального регулирования
ТАР 
— теория автоматического регулирования
ТАУ 
— теория автоматического управления
ТП 
— технологический процесс
УВМ 
— управляющая вычислительная машина
ЦАП 
— цифроаналоговый преобразователь

ЦПУ 
— центральное процессорное устройство
ЭВМ 
— электронная вычислительная машина
A, B, С — матрицы
А(ω) — амплитудная частотная характеристика
ϕ(ω) 
— фазовая частотная характеристика
e(t) 
— сигнал ошибки
сk 
— коэффициенты ошибки
f(t) 
— возмущающее воздействие общего характера
u(t) 
— управляющее воздействие
x(t) 
— управляемая переменная 

x  
— вектор параметров
h(t) 
— переходная функция
L(ω) — логарифмическая амплитудно-частотная характеристика
T 
— постоянная времени звена
ωср 
— частота среза
W(s) — передаточная функция
Wр(s) — передаточная функция разомкнутой системы
Ф(s) 
— передаточная функция замкнутой системы
W( jω) — комплексная или амплитудно-фазовая частотная характеристика
mx(t) — математическое ожидание
Rx(τ) — корреляционная функция стационарного случайного процесса
X(t) 
Rxy(τ) — взаимная корреляционная функция стационарных случайных
процессов X(t) и Y(t)
S(ω) 
— спектральная плотность случайного сигнала
W(z) — передаточная функция стационарной дискретной системы
Td 
— шаг (период) дискретности по времени
q 
— шаг квантования по уровню
δ(t) 
— дельта-функция
λi 
— корни характеристического уравнения
|| x || 
— норма элемента x

e 2  
— среднеквадратическая ошибка
σe 
— среднеквадратическое отклонение
K(t) 
— импульсная переходная функция

Список основных сокращений и обозначений 

Введение

Под управлением понимается организация процесса, который обеспечивает достижение определенной цели. Кибернетика — наука об общих 
закономерностях управления в живом организме, машине, обществе. Как 
правило, кибернетика имеет дело с объектами разной физической природы. 
Техническая кибернетика — теория автоматического регулирования и управления — является инструментом изучения процессов управления в технических системах. Автоматика (управление в технических системах) — это 
наука об общих принципах и методах построения автоматических систем, 
т. е. систем, выполняющих поставленные перед ними цели без непосредственного участия человека. 
Использование принципов автоматики, а также технических средств, 
реализующих эти принципы, в различных отраслях промышленности называется автоматизацией. Автоматизация является мощным технико-экономическим и социальным фактором, одной из основных составляющих 
современного научно-технического прогресса. Различают частичную и комплексную автоматизацию (рис. В1).

Рис. В1. Структура автоматизированного технологического комплекса  
или технического объекта

При частичной автоматизации технические средства автоматики осуществляют лишь простые функции управления, связанные с измерением, 
анализом и контролем значений различных физических величин, а также 
отработкой решений, принятых оператором в виде уставок, программ или 
других сигналов управления. При комплексной автоматизации осуществляется автоматизация не только функций управления, связанных с отработкой 
сигналов управления, но и функций управления, вызванных самой выработкой этих сигналов или принятием решений, исходя из целей управления. 
Системы автоматического регулирования являются основным техническим средством для создания автоматизированных производств, цехов, технологических процессов и технических объектов.

Введение

Автоматические системы можно подразделить на два основных класса: 
циклические, или разомкнутые, действующие по жесткой программе (станки- 
автоматы, поточные линии и т. д.), и ациклические, или замкнутые, действующие на основе принципа обратной связи.
Принцип обратной связи широко используется в технике. Он заключается в том, что желаемое (оптимальное) поведение объекта (двигателя, 
самолета, технологического процесса и т. д.) сравнивают с его действительным поведением, а получающаяся при этом ошибка используется для того, 
чтобы последняя стремилась к нулю или сохранялась в заданных пределах.
Первые автоматические системы, основанные на принципе обратной 
связи, были предложены И.И. Ползуновым (1765) для регулирования уровня воды в котле и Д. Уаттом (1784) для регулирования паровых машин с помощью центробежного регулятора. В дальнейшем автоматические системы 
стали широко применять в различных областях науки и техники.
Сложность автоматических систем значительно возросла. Если в период 
частичной автоматизации они обычно состояли из локальных систем управления, взаимная координация действий которых осуществлялась человеком, 
то в настоящее время возникла необходимость в автоматической координации их действий и, следовательно, в создании сложных взаимосвязанных 
и многоуровневых систем автоматического управления. Основные понятия, 
принципы, задачи и методы автоматического регулирования сохранили 
свою актуальность и получают дальнейшее развитие в современной теории 
и подходах к проектированию сложных, автоматизированных систем. 
Новым в этих подходах к созданию средств локальной автоматики 
явилось существенное возрастание значения понятий информация и компьютеризация процессов обработки информации, поскольку любая система управления представляет собой систему, выполняющую поставленную  
перед ней задачу с помощью сбора, передачи, переработки и использования информации на основе принципа обратной связи. Возникли даже новый термин — информатика и новое понятие — информационное общество. 
Человек в таком обществе выбирает виды деятельности, связанные с информацией, такие как планирование, управление и контроль. Базой же технических средств информатизации становятся микро- и наноэлектроника.
Характер задач определяет и новые требования к автоматическим системам. Кратко их можно выразить триединым критерием: «точнее, быстрее, 
экономичнее», поскольку точность системы управления — это качество 
технологического продукта, быстродействие — количество продукта, экономичность — его стоимость. С этих позиций и следует рассматривать 
эффективность управляемых процессов и объектов. 
Чтобы решать поставленные задачи, необходимо располагать квалифицированными кадрами, способными в реальных ситуациях, т. е. в условиях материальных, энергетических, конструктивных, эксплуатационных 
и иных ограничений, а также при воздействии различного рода возмущений обеспечить сложному динамическому объекту наиболее рациональные 
и эффективные режимы работы. Без таких кадров преодолеть проблему интенсивного развития производства нельзя. Это утверждение обосновывается теми закономерностями, которые присущи объективным связям между