Обратная связь и управление для всех

Педро Альбертос 
Ивен Мариэлс
Обратная связь 
и управление для всех

Feedback and Control 
for Everyone
Pedro Albertos 
Iven Mareels

Обратная связь 
и управление для всех
Педро Альбертос 
Ивен Мариэлс
Москва, 2023

УДК 004
ББК  32.973
А45
Педро Альбертос, Ивен Мариэлс
А45 Обратная связь и управление для всех / пер. с англ. Ю. В. Ревича. – М.: 
ДМК Пресс, 2023. – 354 с.: ил.
ISBN 978-5-93700-235-8
В книге на ряде примеров продемонстрирована важность обратной связи 
для систем управления; показано, что такое сигнал и как он обрабатывается, 
представлены основные идеи и инструменты, используемые при работе с системами и их моделями, рассматриваются современные аппаратные средства 
и варианты программного обеспечения, доступные для реализации системы 
управления.
Издание предназначено для тех, кто интересуется системами и техниками 
управления, но не является специалистом в данной области.
УДК 004
ББК 32.973
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена 
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.
©  Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
©  Оформление, издание, перевод, ДМК Пресс, 2023
ISBN (анг.) 978-3-64203-445-9
ISBN (рус.) 978-5-93700-235-8

Оглавление
Предисловие от издательства...............................................................................11
Предисловие...........................................................................................................12
Как и где была написана эта книга..................................................................13
Что ожидать от книги........................................................................................13
Как читать эту книгу.........................................................................................14
Глава 1. Введение............................................................................... 19
1.1. Обратная связь............................................................................................20
1.2. Блок-схемы, системы, входы и выходы.....................................................21
1.3. Еще о блок-схемах.......................................................................................25
1.3.1. Запись музыки.....................................................................................25
1.3.2. Соединенные резервуары для воды...................................................27
1.3.3. Выводы .................................................................................................28
1.4. Обратная связь и динамика.......................................................................30
1.4.1. Обратная связь в душе.........................................................................30
1.4.2. Акустическая обратная связь..............................................................31
1.4.3. Контроль уровня воды в паровом котле.............................................31
1.4.5. Производство и роботы.......................................................................32
1.4.6. Разработка и синтез обратной связи..................................................33
1.5. Системы, причинно-следственная связь, стационарность  
и линейность......................................................................................................34
1.6. Модели.........................................................................................................37
1.6.1. Моделирование....................................................................................38
1.6.2. Объединение систем............................................................................39
1.7. Базовый контур управления.......................................................................40
1.8. Построение схемы управления..................................................................42
1.9. Заключительные замечания......................................................................43
1.10. Дополнительное чтение и обсуждение...................................................44
Глава 2. Аналогии............................................................................... 47
2.1. Введение и обоснование............................................................................47
2.2. Сигналы и их графическое представление...............................................48
2.3. Сигналы и аналогии................................................................................53
2.4. Примеры систем.........................................................................................55
2.4.1. Разогрев духовки..................................................................................55
2.4.2. Заполнение кухонной раковины........................................................57
2.4.3. Зарядка конденсатора.........................................................................57
2.4.4. Компьютерный алгоритм....................................................................58
2.6. Дискретное или непрерывное время?.......................................................61

2.7. Системы-аналоги........................................................................................62
2.8. Объединение систем и разделение распределенных систем..................64
2.9. Колебания....................................................................................................65
2.9.1. Обмен энергией...................................................................................65
2.9.2. Системный взгляд................................................................................66
2.10. Дополнительное чтение и обсуждение...................................................67
Глава 3. Наглядно про обратную связь и управление................. 69
3.1. Введение и обоснование............................................................................69
3.2. Производство керамической плитки........................................................70
3.3. Системы самотечного орошения...............................................................75
3.4. Конструкция сервопривода радиоастрономической антенны................83
3.5. Простые автоматы......................................................................................90
3.6. Гомеостаз.....................................................................................................91
3.7. Социальные системы..................................................................................97
3.7.1. Простые структуры управления........................................................100
3.7.2. Другие подходы к управлению..........................................................103
3.8. Дополнительное чтение и обсуждение...................................................105
Глава 4. Анализ сигналов................................................................107
4.1. Введение и обоснование..........................................................................107
4.2. Сигналы и классы сигналов......................................................................108
4.2.1. Сигналы, определенные с помощью математических  
алгоритмов...................................................................................................109
4.2.2. Периодические сигналы....................................................................116
4.2.3. Стохастические (случайные) сигналы..............................................119
4.2.4. Хаотические сигналы........................................................................121
4.3. Преобразование сигналов........................................................................122
4.4. Измерение сигнала...................................................................................123
4.4.1. Величина сигнала...............................................................................124
4.4.2. Дискретизация сигнала.....................................................................125
4.4.3 Выборка периодических сигналов:  
проблема сглаживания................................................................................126
4.5. Обработка сигналов..................................................................................128
4.6. Запись и воспроизведение.......................................................................130
4.6.1. Запись и воспроизведение речи.......................................................132
4.7. Дополнительное чтение и обсуждение....................................................135
Глава 5. Системы и модели.............................................................137
5.1. Введение и обоснование..........................................................................137
5.2. Системы и их модели................................................................................138
5.2.1. От сигнала к модели системы...........................................................139
5.2.2. От системы к модели.........................................................................141
5.2.3. Классы моделей..................................................................................142
5.3. Объединение систем.................................................................................145
5.4. Упрощающие допущения.........................................................................146
5.5. Некоторые базовые системы...................................................................149
6   
Оглавление

5.5.1. Линейный коэффициент усиления...................................................149
5.5.2. Транспортная задержка.....................................................................151
5.5.3. Интегратор.........................................................................................152
5.5.4. Интегратор в контуре обратной связи.............................................155
5.6. Линейные системы...................................................................................155
5.6.1. Линейные операторы........................................................................156
5.6.2. Расчет блок-схем для линейных систем...........................................158
5.7. Системный анализ....................................................................................160
5.7.1. Время отклика....................................................................................161
5.7.2. Частотная область...............................................................................162
5.7.3. Каскадно подключенные системы....................................................165
5.7.4. Последовательные интеграторы с обратной связью.......................165
5.8. Синтез линейных систем.........................................................................167
5.9. Описание пространства состояний линейных систем...........................169
5.10. Несколько слов о системах дискретного времени................................171
5.11. Нелинейные модели...............................................................................172
5.12. Дополнительное чтение и обсуждение.................................................174
Глава 6. Устойчивость, чувствительность и робастность...........176
6.1. Введение и обоснование..........................................................................176
6.2. Некоторые примеры.................................................................................177
6.3. Устойчивость автономных систем...........................................................180
6.4. Линейные автономные системы.............................................................182
6.4.1. Общие линейные автономные системы  
в дискретном времени................................................................................184
6.4.2. Непрерывное время, линейная система...........................................185
6.4.3. Изучение устойчивости.....................................................................186
6.5. Нелинейные системы: устойчивость по Ляпунову.................................190
6.5.1. Первый метод Ляпунова....................................................................191
6.5.2. Энергия и устойчивость: второй метод Ляпунова...........................191
6.6. Неавтономные системы...........................................................................194
6.6.1. Линейные системы............................................................................194
6.6.2. Нелинейные системы........................................................................195
6.6.3. Устойчивость вход–состояние при каскадном соединении...........198
6.7. За пределами равновесия.........................................................................199
6.7.1. Предельные циклы и хаос..................................................................199
6.8. Чувствительность......................................................................................201
6.8.1. Робастность........................................................................................203
6.8.2. Вычисление чувствительности.........................................................204
6.8.3. Общий подход....................................................................................205
6.8.4. Чувствительность к изменениям динамики системы.....................206
6.8.5. Измерения чувствительности...........................................................206
6.9. Дополнительное чтение и обсуждение...................................................207
Глава 7. Обратная связь...................................................................209
7.1. Введение и обоснование...........................................................................209
7.2. Внутренняя обратная связь......................................................................211
Оглавление    7

7.3. Обратная связь и неопределенности моделей........................................213
7.4. Стабилизация и регулирование системы................................................215
7.4.1. ISS и системы обратной связи...........................................................217
7.4.2. Линейные системы с обратной связью.............................................219
7.4.3. Критерий устойчивости Найквиста..................................................221
7.4.4. Интегратор с задержкой и отрицательной обратной связью.........223
7.5. Устранение влияния помех.......................................................................223
7.5.1. Обратная связь по шуму....................................................................224
7.6. Управление с двумя степенями свободы.................................................226
7.7. Проектирование обратной связи.............................................................227
7.8. Обсуждение...........................................................................................229
7.9. Дополнительное чтение и обсуждение....................................................230
Глава 8. Подсистема управления...................................................232
8.1. Введение и обоснование..........................................................................232
8.2. Информационный поток..........................................................................236
8.3. Цели управления.......................................................................................237
8.4. Разомкнутый контур................................................................................241
8.5. Замкнутый контур....................................................................................245
8.6. Другие структуры управления.................................................................247
8.6.1. Управление 2DoF................................................................................247
8.6.2. Каскадное управление.......................................................................248
8.6.3. Выборочный контроль.......................................................................249
8.6.4. Системы обратного отклика.............................................................250
8.7. Распределенное и иерархическое управление.......................................252
8.8. Совместное проектирование процессов и систем управления.............254
8.8.1 Управление с масштабированием процесса ....................................255
8.8.2. Перепроектирование процесса.........................................................256
8.9. Дополнительное чтение и обсуждение...................................................257
Глава 9. Компоненты подсистем управления.............................258
9.1. Введение и обоснование..........................................................................258
9.2. Датчики и системы сбора данных...........................................................261
9.2.1. Измерительные преобразователи....................................................264
9.2.2. Программные датчики......................................................................266
9.2.3. Коммуникация и создание сетей......................................................267
9.2.4. Сети датчиков и исполнительных устройств...................................268
9.3. Контроллер................................................................................................269
9.3.1. Автоматы и программируемые логические контроллеры (ПЛК)...269
9.3.2. Релейное управление ........................................................................270
9.3.3. Непрерывное регулирование: ПИД..................................................271
9.4. Контроллеры на компьютерной основе..................................................273
9.5. Исполнительные устройства....................................................................275
9.5.1. «Умные» исполнительные устройства..............................................278
9.5.2. Спаренные исполнительные устройства.........................................278
9.6. Дополнительное чтение и обсуждение...................................................279
8   
Оглавление

Глава 10. Проектирование управления........................................281
10.1. Введение и обоснование.........................................................................281
10.2. Разработка системы управления...........................................................285
10.3. Местное управление...............................................................................288
10.3.1. Логическое управление на основе событий...................................288
10.3.2. Следящее регулирование................................................................291
10.3.3. Взаимодействие...............................................................................296
10.4. Адаптация и обучение............................................................................298
10.4.1. MRAS: MIT-правило.........................................................................299
10.4.2. Самонастройка.................................................................................300
10.4.3. Планирование усиления..................................................................300
10.4.4. Обучаемые системы.........................................................................303
10.5. Надзор......................................................................................................304
10.6. Оптимизация...........................................................................................306
10.6.1. Управление головкой чтения/записи жесткого диска...................307
10.6.2. Модель прогнозирующего управления..........................................308
10.7. Общие замечания....................................................................................309
10.8. Дополнительное чтение и обсуждение.................................................310
Глава 11. Польза управления.........................................................312
11.1. Введение..................................................................................................312
11.2. Медицинские приложения.....................................................................313
11.3. Домашняя автоматизация......................................................................315
11.4. Промышленные приложения.................................................................316
11.4.1. Безопасность и надежность.............................................................317
11.4.2. Энергетическая, материальная или экономическая  
эффективность.............................................................................................318
11.4.3. Устойчивость....................................................................................319
11.4.4. Более эффективное использование  
инфраструктуры..........................................................................................320
11.4.5. Допустимое поведение....................................................................321
11.4.6. Некоторые области применения....................................................322
11.5. Социальные риски..................................................................................323
11.6. Дополнительное чтение и обсуждение.................................................324
Глава 12. Взгляд в будущее............................................................326
12.1. Введение..................................................................................................326
12.2. От аналоговых контроллеров к распределенному  
и сетевому управлению...................................................................................327
12.2.1. Встроенные системы управления...................................................328
12.2.2. Сетевые системы управления.........................................................330
12.2.3. Киберфизические системы.............................................................331
12.3. От автоматических манипуляторов к человекоподобным  
роботам............................................................................................................333
12.3.1. Вызов гуманоидов............................................................................334
12.3.2. Системы «ведущий–ведомый».......................................................335
Оглавление    9

12.4. Искусственный интеллект в управлении..............................................335
12.4.1. Интеллектуальная окружающая среда...........................................337
12.4.2. Агенты...............................................................................................338
12.5. Системы и биология...............................................................................340
12.5.1. Моделирование биосистем.............................................................340
12.5.2. Биомиметика....................................................................................341
12.5.3. Бионика.............................................................................................341
12.5.4. Биокомпонентные системы............................................................342
12.5.5. Белок и наноразмерная биохимическая инженерия.....................342
12.6. Дополнительное чтение и обсуждение.................................................343
Литература...........................................................................................................345
Предметный указатель........................................................................................353
10   
Оглавление