Основы автоматики и теории управления техническими системами

ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ 
И ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ 
ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ
Ю.М. ОСАДЧИЙ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ЧЕРНОМОРСКОЕ ВЫСШЕЕ 
ВОЕННО-МОРСКОЕ УЧИЛИЩЕ 
ИМЕНИ П.С. НАХИМОВА
Москва
ИНФРА-М
2026

УДК 681.5(075.8)
ББК 32.965я73
 
О-72
Осадчий Ю.М.
О-72  
Основы автоматики и теории управления техническими системами : учебное пособие / Ю.М. Осадчий. — Москва : ИНФРА-М, 2026. — 
233 с. — (Военное образование). 
ISBN 978-5-16-021409-2 (print)
ISBN 978-5-16-114096-3 (online)
Учебное пособие составлено в соответствии с программой изучения 
дисциплины «Основы автоматики и теории управления техническими системами». Содержит теоретические сведения, примеры функциональных 
схем судовых автоматических систем, постановок и решения задач анализа 
и синтеза непрерывных и дискретных систем, осуществляющих управление по отклонению.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначено для студентов высших морских технических учебных 
заведений.
УДК 681.5(075.8)
ББК 32.965я73
Р е ц е н з е н т:
Краснодубец Л.А, доктор технических наук, профессор, профессор 
Севастопольского государственного университета
ISBN 978-5-16-021409-2 (print)
ISBN 978-5-16-114096-3 (online)
© Черноморское высшее 
военно-морское училище 
имени П.С. Нахимова, 2025
Данная книга доступна в цветном исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium

Введение 
 
Специальная подготовка инженера по дисциплине «Основы 
автоматики и теории управления техническими системами» базируется на знаниях по фундаментальным вопросам построения, анализа 
и синтеза линейных, нелинейных и дискретных систем управления. 
Настоящее учебное пособие разработано в соответствии с программой по указанной дисциплине.  
Впервые основная идея автоматического управления по отклонению текущего значения регулируемого параметра технологического процесса от его требующегося значения, являющаяся и в 
настоящее время основной при создании систем автоматического 
управления, была воплощена в 1765 году русским механиком И.И. 
Ползуновым. В котле паровой машины был установлен поплавок, 
который, перемещаясь при изменении уровня воды в котле, изменял 
положение заслонки, регулирующей поступление воды в котел. 
Вторым достижением в автоматике было создание в 1784 году 
Г. Уаттом центробежного регулятора скорости вала паровой машины. В регуляторе Уатта использован центробежный механизм, содержащий шары, изменяющие свое положение при изменении скорости вращения оси, связанной с осью вращения вала машины, и 
пружины, противодействующей перемещению шаров. Перемещающиеся шары изменяют положение заслонки, управляющей поступлением пара на турбину, при изменении частоты вращения вала машины. В основе регуляторов Ползунова и Уатта реализован принцип 
обратной связи, состоящий в использовании отклонения текущего 
значения регулируемой величины от ее требующегося значения. 
Этот принцип является одним из фундаментальных в теории управления техническими средствами. В 1820 году Ж. Понселе изложил 
идею принципа компенсации возмущений, отличный от принципа 
использования отклонения значения регулируемой величины для 
управления. Сущность этого принципа состоит в том, что создается 
воздействие на объект управления, зависящее от величины возмущающего воздействия. Этот принцип используется при создании 
комбинированных систем управлеиия и систем, инвариантных к 
возмущениям. 
В 1898 году К.Э. Циолковским был создан регулятор горизонтального руля летательного аппарата для регулирования высоты его 

полета. В 1878 году А.П. Давыдовым разработаны следящие системы, позволяющие синхронно направлять орудия береговой и корабельной артиллерии с автоматическим определением упреждения 
движущейся цели.  
Начало развития автоматики как науки заложено профессором 
Вышнеградским в 1876 году. Он опубликовал книгу «Об общей теории регуляторов», ставшей первой работой по теории автоматического управления. А.М. Ляпунов создал теорию устойчивости динамических процессов, без которой невозможно осуществить решение 
задач теоретического исследования, проектирования, конструирования, изготовления, испытаний, эксплуатации и совершенствования 
стистем упрвления.  
В результате изучения дисциплины «Основы автоматики и 
теории управления техническими системами» будущий специалист 
должен: 
знать 
принципы управления по отклонению и возмущению, 
методы оценки устойчивости систем автоматического управления, 
методы оценки качества систем автоматического управления; 
уметь 
создавать функциональные и математические модели систем 
автоматического управления, 
анализировать устойчивость систем автоматического управления, 
определять требования к эксплуатационным характеристикам 
качества систем автоматического управления; 
владеть навыками 
решения систем уравнений, описывающих динамические процессы в системах автоматического управления, 
применения критериев исследования устойчивости систем автоматического управления, 
определения характеристик качества систем автоматического 
управления. 
Ключевые слова 
Автоматика, управление, система, объект управления, регулятор, управение по отклонению, управление по возмущению, дифференциальное уравнение, устойчивость, качество процесса. 
 

Глава 1 
 
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ 
 
1.1 Основные понятия и определения 
 
Управление – это целенаправленное воздействие системы более высокого уровня (управляющей системы) на систему более низкого уровня (управляемую систему) с использованием информации 
о состоянии управляемой системы. 
Общие закономерности управления в природных, общественных, экономических, технических и других системах изучает наука, 
которая называется кибернетикой. 
Механизм, агрегат, в котором происходит подлежащий управлению процесс, называют объектом управления (регулирования). 
Устройство, осуществляющее управление (регулирование) называют 
регулятором. Величины, количественно отражающие состояние 
объекта управления, регулятора и его частей называют координатами. Действия по созданию необходимых значений координат называют воздействиями. 
Автоматикой называется научно-техническое направление, 
которое занимается вопросами исследования, разработки, изготовления, испытания и эксплуатации устройств и систем управления 
техническими объектами.  Автоматическое управление и регулирование – отрасль техники и науки, охватывающая средства и методы 
автоматического (без участия человека) поддержания на заданном 
уровне состояния процесса или изменения его состояния во времени 
по определенному закону. Если необходимо поддержание состояния 
объекта на заданном уровне, то говорят об автоматическом регулировании. Если требуется изменять во времени состояние определенным образом, то говорят об автоматическом управлении. 
 Системой автоматического управления (САУ) называется 
совокупность регулятора и объекта регулирования. 
  Будем рассматривать автоматические системы, которые в течение достаточно длительного времени нужным образом изменяют 
(или 
поддерживают 
неизменными) 
физические 
величины–
характеристики состояния объекта (частоту вращения вала, темпера

туру среды, координаты летательного аппарата, курсовой угол судна, скорость движения, электрическое напряжение, температуру, 
давление и др.) в управляемом процессе. К этим системам относятся 
автоматические регуляторы; следящие системы; авторулевые; многие вычислительные устройства и измерительные приборы; системы 
дистанционного управления, телеуправления, самонаведения подвижных объектов и т. п. 
В данной дисциплине рассматриваются только автоматические системы, в которых человек выполняет настройку системы и 
запуск ее действия. Далее управление осуществляется без участия 
человека. Автоматические системы делят на незамкнутые (разомкнутые) и замкнутые системы управления. Незамкнутая система 
управления содержит объект управления и управляющее устройство 
(регулятор) (рис. 1.1, где обозначены: 

)
(t
x
требующийся закон изменения регулируемой величины во времени, 

)
(t
y
закон текущего 
изменения регулируемой величины во времени, 
t
время).  В процессе работы не осуществляется контроль истинного (текущего) изменения регулируемой величины. 
 
    
)
(t
х
                                                                               
)
(t
y
 
 
 
 
Рисунок 1.1 – Функциональная схема незамкнутой 
системы управления (регулирования) 
 
      Усовершенствованием автоматической системы является 
ее замыкание, состоящее в создании управляющих воздействий на 
объект, зависящих от разности требующегося (заданного) значения 
выходной величины и ее текущего значения. Эту разность называют 
отклонением, рассогласованием, ошибкой.  
На рисунке 1.2 представлена обобщенная функциональная 
схема системы автоматического управления, работающая по отклонению.  
 
 
Регулятор 
Объект регулирования 

Рисунок 1.2 – Функциональная схема системы 
 автоматического управления по отклонению 
 
На рисунке 1.2 обозначены:  
ОР – объект регулирования, 
P – регулятор, 
)
(t
x
– заданное значение управляемой величины (управляемой 
координаты),   
)
(t
y
– текущее значение управляемой величины, 
)
(t
uз
– сигнал заданного значения управляемой величины, 
)
(t
u
– сигнал текущего значения управляемой величины, 
))
(
)
(
(
)
(
t
u
t
u
t
з

 
H
 – сигнал отклонения (ошибки) системы, 
)
(t
v
– регулирующее воздействие на объект регулирования, 
1
Д  – датчик сигнала заланного значения управляемой величины (задатчик, устройство, создающее сигнал, завясящий от требующегося значения управляемой величины), 
2
Д – датчик сигнала текущего значения управляемой величины. 
На вход регулятора поступает сигнал, зависящий от разности 
между заданным значением управляемой величины и ее текущим 
значением, Регулятор создает на объект управления регулирующее 
воздействие, компенсирующее отклонение значения управляемой 
величины от ее заданного значения. Устройство, создающее регулирующее воздействие, называется регулирующим органом. Он является элементом регулятора. 
В замкнутой автоматической системе процессы во всех звеньях зависят от времени и друг от друга. Поэтому при разработке за

мкнутых автоматических систем особое значение имеют   динамические расчеты.  
В следящей системе выходная величина
)
(t
y
 воспроизводит 
изменение входной величины
)
(t
x
, закон изменения которой заранее 
не определен, случаен.  Если закон изменения
)
(t
x
 не случаен, является определенной функцией времени, то систему, работающую по 
отклонению, называют замкнутой системой программного управленя. Если требуется в течение определенного промежутка времени 
обеспечивать постоянное значение управляемой величины, имея регулятор, работающий по отклонению, то систему называют системой регулирования (стабилизации). В любой из этих систем регулятор должен воздействовать на объект таким образом, чтобы после 
протекания переходных процессов, неизбежно возникающих вследствие инерционности объекта управления и элементов регулятора, 
регулируемая величина имела значение, достаточно мало отличающееся от требующегося. Регулятор компенсирует влияние внешних 
возмущений, вызывающих нежелательные изменения значения регулируемой величины. Существуют различные способы решения 
этой задачи, которые называются способами, или принципами регулирования. Различные способы управления требуют наличия или 
разработки технических средств для реализации элементов систем. 
 
1.2 Принципы регулирования 
 
Рассмотрим в качестве примера известную гидравлическую задачу: имеется 
резервуар 
с 
двумя 
трубами, по одной 
трубе вода подаётся в 
резервуар, по другой 
вытекает к потребителям (рис. 1.3).  
 
 
 
H
G1
G2 = f(t)
Рисунок 1.3 – Объект регулирования– 
 резервуар с регулированием уровня жидкости 

Регулируемой величиной является уровень H жидкости в объекте регулирования– резервуаре. На подающей трубе имеется клапан, с помощью которого можно изменять расход 
1
G (количество 
воды, поступающей в резервуар в единицу времени).   
Этот клапан является регулирующим органом. 
Расход 
2
G воды из резервуара вызывает изменения регулируемой величины во времени. Он зависит от потребителей и является 
для нашего объекта показателем нагрузки, которая может случайным образом изменяться во времени: 
).
(
2
t
f
G  
 
                                                                                             
Рассмотрим задачу регулирования– поддержание определенного запаса воды в резервуаре, характеристикой которого является 
регулируемый параметр - уровень воды H . 
Принцип регулирования «по возмущению» 
Возмущением в данной системе является случайное изменение 
во времени нагрузки
2
G . Сохранить постоянство уровня воды в резервуаре можно за счёт обеспечения в каждый момент времени равенства поступления и расхода воды: 
).
(
)
(
2
1
t
G
t
G
 
 
 
Для этого нужно 
на сливном трубопроводе 
установить 
расходомер 
и 
подключить его к регулятору, 
управляющему 
положением регулирующего 
органа (рис. 1.4). 
 
 
 
 
 
H
G1
G2 = f(t)
Регулятор
Рисунок 1.4 – Система регулирования по возмущению 

Характеристики расходомера, регулятора и регулирующего 
органа должны быть такими, чтобы в каждый момент времени значению расхода 
2
G (потребления) соответствовало точно такое же 
значение расхода 
1
G (притока): 
).
(
)
(
2
1
t
G
t
G
 
 
 
  Преимущества принципа регулирования по возмущению 
Регулирующее воздействие формируется причиной изменения 
уровня жидкости – расходом
2
G . При реализации способа регулирования по возмущению регулятор не реагирует на изменения регулируемого параметра
.
H  Если в каждый момент времени поступления 
и расход жидкости равны друг другу, то отсутствует динамическая 
ошибка регулирования. 
Статическая ошибка регулирования также теоретически может 
отсутствовать, поскольку действие регулятора при изменении 
нагрузки не связано с изменением регулируемого параметра.  
Недостатки принципа регулирования по возмущению: 
Регулятор компенсирует влияние только одного возмущения – 
изменения нагрузки. Но существуют и другие случайные возмущения, например, изменение условий (испарение воды с поверхности, 
протечки через трещины в стенках резервуара и т.п.).  Регулятор, 
работающий по данному принципу, на эти дополнительные возмущения не реагирует, вследствие чего могут возникнуть изменения 
уровня воды в резервуаре. 
Точное соблюдение уравнения материального баланса (равенства притока воды ее отбору) возможно только теоретически. Практически обеспечить абсолютное равенство расхода и притока невозможно ввиду погрешностей при настройке характеристик расходомера и регулятора, при изготовлении регулирующего органа.  Неравенство притока расходу неизбежно с течением времени приведёт 
или к постепенному повышению или уменьшению уровня жидкости. 
Этот принцип регулирования не обеспечивает длительное функционирование объекта в соответствии с задачей регулирования. 
Указанные недостатки, присущие принципу регулирования по 
возмущению, не позволяют использовать его в системе, осуществляющей регулирование в течение длительного времени. Причиной