Предлагаемая книга написана в соответствии с учебной программой по теории автоматического управления и предназначена в качестве учебного пособия для студентов электротехнических специальностей вузов, изучающих курсы «Теория автоматического управления» (специальность «Автоматика и телемеханика») и «Теория автоматического регулирования» (специальности «Электропривод и автоматизация промышленных установок» и «Электрические машины и аппараты»); она может быть использована также при изучении курсов «Теоретические основы кибернетики» (специальность «Автоматика и телемеханика») и «Основы технической кибернетики» (специальность «Электропривод и автоматизация промышленных установок»).
Решением XXIV съезда КПСС предусмотрено широкое внедрение автоматики и средств автоматизации в различные отрасли техники. Эта задача может быть выполнена при наличии специалистов, имеющих хорошую теоретическую подготовку.
Курс теории автоматического управления ставит своей целью ознакомление учащегося с общими принципами построения и расчета автоматических систем.
Предлагаемая книга отражает основные вопросы теории автоматического управления, необходимые специалистам, занимающимся автоматизацией производственных процессов, промышленных установок и созданием систем автоматического управления.
В первом разделе рассмотрены общие, понятия и определения, задачи теории автоматического управления и общая характеристика статики и динамики автоматических систем. Кроме того, приведены ¦ типовые динамические звенья, уравнения динамики систем и методы их решения, а также понятия о передаточных и частотных функциях, характеристиках звеньев и систем.
Во втором разделе даны правила преобразования структурных схем, методы исследования устойчивости и стабилизации неустойчивых систем, основные вопросы оценки качества процесса управления и коррекции автоматических систем, а также методы построения кривых переходного процесса.
В третьем разделе рассмотрены вопросы анализа, нелинейных систем (методы определения автоколебаний, понятие о коррекции
В четвертом разделе приведены основные методы исследования устойчивости, оценки качества и коррекции импульсных систем. •В пятом разделе изложено введение в теорию статистической
динамики.
В шестом разделе дано понятие об оптимальных и самонастраиваю-. щихся системах, их особенностях и принципах построения.
В данной книге использована терминология, рекомендуемая Комитетом научно-технической терминологии АН СССР («Основные понятия автоматики». Терминология, выпуск 71.«Наука», 1966).
При написании книги была использована указанная в библиографии литература, однако детальные литературные ссылки в книге не
приводятся.
При работе над рукописью автор с благодарностью учел замечания и рекомендации чл.-корр. АН СССР А. Е. Алексеева и проф., д-ра техн. наук Е. И. Хлыпало, высказанные при просмотре рукописи.
Автор выражает благодарность рецензентам книги проф., д-ру техн. наук А. В. Нетушилу и всем сотрудникам кафедры автоматики и телемеханики ЛЭТИ им. Ульянова (Ленина) за ценные замечания, сделанные ими при просмотре рукописи.
Автор.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие............................ 3
Раздел первый. Введение в теорию автоматического управления . 5
Глава 1. Общие понятия...................... 5
1.1. Введение . . . , в...................... 5
§ 1.2. Автоматическое регулирование и управление как одна из форм
автоматизации .... .................... 7
§ 1.3. Основные этапы развития автоматических систем и их теории ... 8 § 1.4. Роль русских и советских ученых в развитии теории и практики
автоматических систем.................... 10
Вопросы для самопроверки..................... 11
Глава 2. Принципы регулирования и управления.......... 12
§ 2.1. Понятие о регулировании и управлении.......... . . 12
§ 2.2. Принципы регулирования и управления..........'. . 16
§ 2.3. Функциональные схемы.................... 19
§ 2.4. Основные элементы автоматических систем . ,........ 20
§ 2.5. Принципы классификации автоматических систем....... 21
§ 2.6. Задачи теории автоматического управления.......... 22
Вопросы для самопроверки..................." . *. 23
Глава 3. Статика автоматических систем............... 24
§ 3.1. Статическое регулирование-и управление........... 24
§ 3.2. Астатическое регулирование и управление........... 26
§ 3.3. Статические характеристики элементов............ 27 t
§ 3.4. Статические характеристики автоматических систем...... 29
Вопросы для самопроверки...................... 31
Глава 4. Уравнения динамических режимов автоматических систем и
методы решения этих уравнений............. 32
§ 4.1. Составление уравнений динамики систем............. 32
$ 4.2. Линеаризация уравнений и приведение их к форме в отклонениях 33
§ 4.3. Безразмерная форма уравнений................ 35
§ 4.4. Уравнения автоматической системы стабилизации скорости двигателя ......................... ... 36
§ 4.5. О методах решения уравнений динамики............. 39
§ 4.6. Формулы прямого и обратного преобразований Фурье и Лапласа 41 § 4.7. Понятие о составлении операторных уравнений автоматических
систем............................. 42
Вопросы для самопроверки......, ,............. 43
Глава 5. Исходные данные для анализа динамики автоматических систем 44
522
Стр.
§ 5.1. Понятие о передаточной и частотной функциях линейных систем 44
§ 5.2. Амплитудно-фазовые характеристики.............. 46
§ 5.3. Логарифмические частотные характеристики.......... 48
Вопросы для самопроверки.......................50
Глава 6. Типовые линейные звенья и их характеристики....... 51
§ 6.1. Классификация звеньев..................... 51
§ 6.2. Идеальное (безынерционное) звено............... 53
§ 6.3. Инерционное (апериодическое) звено первого порядка..... 58
§ 6.4. Интегрирующее звено..................... 60
§ 6.5. Инерционные звенья второго порядка.............. 62
§ 6.6. Консервативное звено..................... 65
§ 6.7. Дифференцирующие звенья.................. 65
§ 6.8. Неминимально-фазовые звенья................. 68
Вопросы для самопроверки..................... 72
Раздел второй. Основные вопросы линейной теории автоматического
управления.................... 73
Глава 7. Структурные схемы, передаточные и частотные функции автоматических систем . . .................... 74
§ 7.1. Обозначения, применяемые в структурных схемах....... 73
§ 7.2. Правила преобразований структурной схемы при различном соединении звеньев......................... 74
§ 7.3. Структурные схемы и передаточные функции одноконтурных и многоконтурных замкнутых систем................ 78
§ 7.4. Получение операторного уравнения системы по структурной схеме 82 § 7.5. Частотные функции разомкнутых и замкнутых систем. Методы
построения частотных характеристик............. 83
§ 7.6. Построение логарифмических частотных характеристик многоконтурной системы с неперекрещивающимися обратными связями 86 § 7.7. Составление и преобразование структурной схемы автоматической
системы *.......................... 88
Вопросы для самопроверки..................... 94
Глава 8. Устойчивость линеаризованных систем........... 94
§ 8.1. Методы определения устойчивости................ 94
§ 8.2. Получение характеристического уравнения. Условие устойчивости
линейной (линеаризованной) системы............. 97
§ 8.3, Достаточность условий положительности коэффициентов для устойчивости систем г....................... 99
§ 8.4. Алгебраические критерии устойчивости............ 100
§ 8.5. Частотный критерий устойчивости............... 103
§ 8.6. Определение устойчивости по методу разделения частотных характеристик разомкнутой системы.............. 109
§ 8.7. Критерий Михайлова................... . 111
§ 8.8. Критерий Вышнеградского................. . 114
§ 8.9. Определение областей устойчивости............. 116
§ 8.10. Понятие о D-разбиении пространства коэффициентов характеристического уравнения . . . ,¦................ 118
Стр.
§ 8.11. 23-разбиение плоскости одного комплексного параметра ..... 119
§ 8.12. ?>-разбиение плоскости двух параметров........... 120
§ 8.13. Запас устойчивости.....................124
§ 8.14. Критический коэффициент усиления.............127 '
§ 8.15. Устойчивость систем с запаздыванием............131
§ 8.16. Вопросы структурной устойчивости систем..........135
§ 8.17. Исследование устойчивости методом корневого годографа . . . 138
Вопросы для самопроверки.....................143
Глава 9. Методы коррекции автоматических систем........144
§ 9.1. Жесткая обратная связь (безынерционная)...........144
§ 9.2. Гибкая обратная связь....................146
§ 9.3. Смешанная обратная связь.................147
§ 9.4. Влияние отрицательных обратных связей па работу автоматических систем........................147
§ 9.5. Введение производных в закон управления при помощи прямых
параллельных связей...........:........149
< § 9.6. Введение интеграла в закон управления...........153
§ 9.7. Средства коррекции автоматических систем..........154
§ 9.8. Корректирующие устройства на переменном токе.......160
§ 9.9. Место включения корректирующих устройств . . .......162
Вопросы для самопроверки...................... 164
Глава 10. Оценка качества процесса управления..........165
10.1. Классификация внешних воздействий. Требования, предъявляемые к качеству процесса управления............165
§ 10.2. Характер затухания переходйого процесса..........166
§ 10.3. Максимальное отклонение управляемой переменной. Перерегулирование. Время переходного процесса..........167
§ 10.4. Точность управления. Ошибки системы..........168
§ Ю.5. Интегральные оценки...................173
§ 10.6. Приближенная оценка качества переходного процесса по методу
распределения нулей и полюсов..............179
§ 10.7. Основы частотного метода анализа качества процесса управления 188 § 10.8. Анализ качества переходного процесса по амплитудно-частотным
характеристикам замкнутой системы............193
§ 10.9. Оценка качества по вещественным частотным характеристикам
замкнутой системы.....................197
§ 10.10. Оценка качества переходного процесса по логарифмическим
частотным характеристикам разомкнутой системы......207
Вопросы для самопроверки.....................210
Глава 11. Обеспечение заданного качества процесса управления . . .211
§ 11.1. Повышение точности управления...............211
§ 11.2. Об обеспечении заданного качества переходного процесса . . . 217 § 11.3. Синтез корректирующих устройств при помощи ЛАХ .... 224 § 11.4. Синтез корректирующих устройств при помощи амплитудно-фазовых характеристик...................238
§ 11.5. Синтез корректирующих устройств автоматических систем ме-
Стр.
§ 11.6. Применение метода корневого годографа для синтеза корректирующих устройств.......................245
Вопросы для самопроверки.....................250
Глава 12. Методы построения кривой переходного процесса линейных
автоматических систем...................251
§ 12.1. Операторный метод Лапласа................251
§ 12.2. Метод трапецеидальных вещественных частотных характеристик 255 § 12.3. Использование ЛАХ при построении переходного процесса . . 259
§ 12.4. Метод математического моделирования............263
Вопросы для самопроверки......................270
Раздел третий. Основные вопросы нелинейной теории автоматического управления................. 271
Глава 13. Устойчивость и автоколебания нелинейных систем .... 271
§ 13.1. Классификация нелинейных звеньев и систем.........272
§ 13.2. О методах исследования нелинейных систем......... 275
§ 13.3. Метод фазовой плоскости..................278
§ 13.4. Примеры фазовых портретов нелинейных систем.......284
§ 13.5. Метод точечных преобразований...............292
§ 13.6. Основы метода гармонической линеаризации........294
§ 13.7. Определение комплексных коэффициентов усиления и передаточных функций нелинейных звеньев............299
§ 13.8. Метод Л. С. Гольдфарба.................302
§ 13.9. Метод Е. П. Попова....................305
§ 13.10. Частотный метод анализа релейных систем..........311
§ 13.11. Исследование абсолютной устойчивости нелинейных систем
методом В. М. Попова..................317
§ 13.12. О вынужденных колебаниях в нелинейных системах .... 320
§ 13.13. Статические характеристики нелинейных систем .......322
Вопросы для самопроверки.....................327
Глава 14. Коррекция нелинейных систем............... 327
§ 14.1. О способах коррекции нелинейных систем..........327
§ 14.2. Влияние, линейных корректирующих устройств на фазовый
портрет систем второго порядка...............328
§ 14.3. Получение скользящих режимов в релейных системах второго
порядка...........................331
§ 14.4. О влиянии неединичных главных обратных связей на диаграмму
точечных преобразований..................336
§ 14.5. Расчет линейных корректирующих устройств методом гармонической линеаризации ..................... 337
§ 14.6. Вопросы коррекции релейных систем............339
§ 14.7. Компенсация влияния нелинейностей............340
§ 14.8. О синтезе линейных корректирующих устройств нелинейных
систем методом разделения частотных характеристик......344
Вопросы для самопроверки.....................345
Глядя 15 ТСячегтвп пепехоаных поонессов нелинейных систем . . . 346
Стр. § 15.1. Оценка качества переходного процесса по данным фазового портрета 346 § 15.2. Оценка качества переходного процесса по методу гармонической
линеаризации........................348
§ 15.3. Методы численного интегрирования.............353 ,
§ 15.4. Графо-аналитические методы................. 357
§ 15.5. О расчете переходных процессов релейных систем......363
§ 15.6. Особенности моделирования нелинейных систем.......364
Вопросы для самопроверки.....................372
Раздел четвертый. Основные вопросы теории линейных импульсных
автоматических систем ............ 373
Глава 16. Анализ динамики импульсных систем...........373
§ 16.1. Классификация импульсных элементов и систем........ 374
§ 16.2. Об особенностях исследования динамики импульсных систем 376 § 16.3. Исследование устойчивости системы непосредственно по разностному уравнению....................381
§ 16.4. Критерии устойчивости импульсных систем.........382
§ 16.5. Понятие о дискретном преобразовании Лапласа........384
§ 16.6. Определение передаточной функции импульсной системы . . . 387 § 16.7. Понятие о частотных функциях и характеристиках импульсных
систем...........................390
§ 16.8. Исследование устойчивости импульсных систем по частотным
характеристикам......................394
§ 16.9. Качество переходного процесса импульсных систем ..... 395 § 16.10. Особенности расчета импульсных систем по методу г-преобра-
зования...........................403
§ 16.11. Понятие о методе ^-преобразования.............406
§ 16.12. Особенности моделирования импульсных систем......408
Вопросы для самопроверки.....................411
Глава 17. Коррекция импульсных систем.............412
§ 17.1. Применение непрерывных корректирующих устройств......412
§ 17.2. Применение дискретных корректирующих устройств......415
§ 17.3. Непрерывное регулирование как граница импульсного регулирования ...........................417
§ 17.4. Понятие о применении цифровых управляющих устройств .. . . 420 Вопросы для самопроверки.....................421
Раздел пятый. Введение в статистическую динамику автоматических систем ....................422
Глава 18. Случайные процессы в линейных автоматических системах 423
§ 18.1. Общие понятия о случайных процессах............423
§ 18.2. Оценка работы линейных автоматических систем при случайных
сигналах..........................427
§ 18.3. Корреляционные функции выходной переменной и ошибки системы 428 § 18.4. Спектральная плотность выходной переменной и ошибки системы 430 § 18.5. Способы вычисления среднего значения квадрата ошибки системы 431 § 18.6. Понятие о прохождении случайного сигнала через импульсную
систему , . , ,.......................435
Вопросы для самопроверки..............•......436
Глава 19. Случайные процессы в нелинейных автоматических системах 437 § 19.1. Прохождение случайных сигналов через нелинейный элемент 437 § 19.2. Статистическая линеаризация -нелинейных элементов ...... 438
§ 19.3. О совместной статистической и гармонической линеаризации 441 § 19.4. Исследование точности нелинейных автоматических систем при
стационарных случайных воздействиях..........444
§ 19.5. Методы улучшения качества работы автоматических систем при
наличии помех.........................446
Вопросы для самопроверки.....................448
Раздел шестой. Понятие об оптимальных и самонастраивающихся
автоматических системах............449
Глава 20. Понятие об оптимальном управлении...........449
§ 20.1. Показатели (критерии) оптимальности автоматических систем 450
§ 20.2. Классификация оптимальных систем.............453 .
§ 20.3. Основные вопросы теории оптимальных систем........ 454
§ 20._4. Системы, оптимальные по быстродействию..........454
§ 20.5. Оптимальные по точности автоматические системы управления
при случайных сигналах.................¦¦ 462
§ 20.6. Методы расчета оптимальных параметров и определения закона
управления оптимальных систем...............466
Вопросы для самопроверки......................477
Глава 21. Принципы построения самонастраивающихся автоматических
систем..........................477
§ 21.1. Критерии самонастройки. Назначение и эффективность применения элементов самонастройки.......,.......478
§ 21.2. Функциональные схемы и основные элементы самонастраивающихся систем.......................479
§ 21.3. Классификация самонастраивающихся систем ........480
§ 21.4. Особенности самонастраивающихся систем ..........481
§ 21.5. Системы, настраивающиеся по сигналам внешних воздействий
и выходных переменных..................482
§ 21.6. Системы, настраивающиеся по динамическим характеристикам
объектов..........,..............484
§21.7. Понятие об экстремальных автоматических системах .... 489
§ 21.8. Понятие о построении экстремальных систем........493
§ 21.9. Основные параметры, характеризующие экстремальные системы 500 § 21.10. Влияние инерционности элементов экстремальной системы 502 § 21.11. О методах поиска экстремума, являющегося функцией нескольких
независимых переменных...................503
§ 21.12. Краткие сведения о некоторых более совершенных самонастраивающихся системах....................507
§ 21.13. О задачах и методах расчета и исследования самонастраивающихся автоматических систем...............509
. Вопросы для самопроверки . . /..................514
Приложения.............................516
Литература..............................520
Цена: 300руб.
