Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (АВ)"
Автор книги: Большая Советская Энциклопедия
Жанр:
Энциклопедии
сообщить о нарушении
Текущая страница: 31 (всего у книги 41 страниц)
Автоматическое включение резерва
Автомати'ческое включе'ние резе'рва (АВР), быстрое автоматическое включение резервных источников энергоснабжения, водоснабжения или резервного оборудования и механизмов. Цель – бесперебойность снабжения потребителей электроэнергией, газообразным топливом, водой и т. д. или предотвращение аварии при внезапном выходе из строя рабочих источников питания, линий электропередачи, водо– и газопроводов, основных механизмов и приборов и пр. Особенно широко АВР применяется в энергетических системах и на электроустановках высокого напряжения различных предприятий (трансформаторов, электродвигателей и другого электрооборудования), реже – в электроустановках низкого напряжения, например 220—380 в.
АВР осуществляется с помощью специальных автоматических устройств постоянного или переменного тока, обеспечивающих включение резервных источников питания, оборудования и т. д. с заданным интервалом времени. Эффективность АВР как противоаварийного средства тем выше, чем меньше перерыв питания потребителей, поэтому время включения резерва должно быть минимально допустимым. В энергосистемах СССР, по данным статистики, каждое устройство АВР, введённое в эксплуатацию, в среднем предотвращает одно нарушение электроснабжения потребителей за период 4—5 лет.
Лит.: Барзам А. Б., Системная автоматика, 2 изд., М.– Л., 1964; Гельфанд Я. С., Голубев М. Л., Царев М. И., Релейная защита и электроавтоматика на переменном оперативном токе, М.– Л., 1966.
М. И. Царёв.
Автоматическое оружие
Автомати'ческое ору'жие, огнестрельное оружие, в котором энергия пороховых газов при выстреле используется не только для сообщения пуле (снаряду) движения, но и для перезаряжания оружия и производства очередного выстрела. А. о. позволяет вести как непрерывный, так и одиночный огонь. Оружие, в котором автоматизировано только перезаряжание, называется полуавтоматическим, или самозарядным (в отличие от автоматического – самострельного). Главная особенность А. о. – его высокая скорострельность, которая позволяет поражать быстро движущиеся цели и создавать большую плотность огня.
Питание А. о. патронами осуществляется двумя способами: магазинное (патроны снаряжаются в специальные коробки-магазины) и ленточное (патроны снаряжаются в гибкие металлические или холщовые ленты). Магазинное питание применяется главным образом в А. о., для которого не требуется очень высокая практическая скорострельность (пистолеты, автоматы, винтовки, карабины, ручные пулемёты, автоматические пушки среднего калибра), а ленточное – в оружии с большой практической скорострельностью (станковые пулемёты, крупнокалиберные пулемёты, малокалиберные автоматические пушки).
А. о. появилось во 2-й половине 19 в. Американец Р. Пилон в 1863 сконструировал автоматическое ружье. Первый проект автоматической винтовки в России был предложен Д. А. Рудницким в 1887. В начале 1900 большое распространение в армиях различных стран находит полуавтоматическое ружьё-пулемёт Мадсена, принятое и в русской армии, наибольшее же применение получает станковый пулемёт Максима (изобретённый американцем X. Максимом в 1883). Большое значение А. о. в бою впервые на практике было доказано в русско-японской войне 1904—05, в которой русская, а затем и японская армии применяли станковые пулемёты. С этого времени А. о. в виде станковых пулемётов усиленно внедряется в систему стрелкового вооружения армий. Интенсивная работа по созданию лёгкого А. о. была начата в России за несколько лет до 1-й мировой войны. В 1910—11 в России испытывалось несколько автоматических винтовок отечественного изготовления (системы В. Г. Федорова, Ф. В. Токарева, Рощепея, Щукина, Фролова). Наиболее успешно выдержала испытания автоматическая винтовка В. Г. Федорова. Во время 1-й мировой войны Федоровым была сконструирована новая автоматическая винтовка, которая применялась в боевой обстановке.
В СССР оружейная техника получила большое развитие. Выдвинулось много талантливых оружейников-конструкторов А. о., которое применялось в Великой Отечественной войне 1941—45: В. А. Дегтярев, Ф. В. Токарев, Г. С. Шпагин, С. Г. Симонов, Б. Г. Шпитальный, П. М. Горюнов, А. И. Судаев и др. Творцами современного А. о. являются М. Г. Калашников, Е. Ф. Драгунов, Н. Ф. Макаров и др. Большое значение для развития советского А. о. имела теория проектирования А. о., созданная А. А. Благонравовым и развитая в трудах Е. Л. Бравина, В. С. Пугачева, М. А. Мамонтова, Э. А. Горова. В капиталистических армиях, участвовавших во 2-й мировой войне, А. о. было особенно широко распространено в германской армии. В современных армиях развитых государств используется только автоматическое и самозарядное оружие.
А. о. в зависимости от боевого назначения делится на следующие виды: автоматические пистолеты, автоматы (пистолеты-пулемёты), автоматические винтовки (карабины), самозарядные винтовки, ручные пулемёты, станковые пулемёты, крупнокалиберные пулемёты, автоматические пушки.
Устройство автоматики в значительной степени зависит от способа использования энергии пороховых газов. Современное А. о. можно разделить на следующие типы:
а) Системы оружия, в которых действие автоматики основано на использовании отдачи ствола. Эти системы имеют подвижный ствол, с которым во время выстрела прочно сцеплен затвор. Отход затвора и ствола под действием отдачи и возвращение под воздействием возвратных пружин обеспечивают автоматическое извлечение стреляной гильзы, досыл очередного патрона в патронник и запирание затвора. В этих системах различают системы с длинным (рис. 1; например, у французского ручного пулемёта Шоша) и коротким (рис. 2; например, у пистолета ТТ и станкового пулемёта Максима) ходом ствола.
б) Системы оружия, в которых действие автоматики основано на использовании отдачи затвора. В этих системах ствол закрепляется неподвижно, а затвор во время выстрела либо совершенно не сцеплен со стволом (свободный затвор – рис. 3; например, у пистолета-пулемёта Дегтярева образца 1940 и пистолета-пулемёта Шпагина образца 1941), либо сцеплен так, что расцепление (отпирание) происходит под действием давления пороховых газов на дно гильзы (полусвободный затвор – рис. 4; например, у английского пистолета-пулемёта Томпсона образца 1928).
в) Системы оружия, в которых действие автоматики основано на использовании отвода пороховых газов в специальную газовую камору, расположенную обычно в передней части ствола, куда через газоотводное отверстие в стволе поступают пороховые газы после того, как пуля минует это отверстие. В газовой каморе помещается подвижный поршень, с которым соединён шток затворной рамы (рис. 5; например, у ручного пулемёта Дегтярева образца 1927 и автомата Калашникова) или стебля затвора (рис. 6; например, у крупнокалиберного пулемёта Шпитального и Владимирова). Под давлением пороховых газов шток вместе с затвором или стеблем затвора перемещается назад, производя отпирание затвора и извлечение гильзы. Обратное движение подвижных частей и заряжание производятся действием возвратной пружины. Положительные качества автоматики этого типа определили её широкое применение в современных образцах автоматического оружия. Высокий режим огня А. о. вызывает весьма быстрое нагревание ствола, в связи с чем важную роль играет система его охлаждения. В первых образцах станковых пулемётов широко применялось водяное охлаждение, что нередко затрудняло их боевое применение при отсутствии воды, а также приводило к увеличению массы и габаритов. Современные пулемёты и другие виды А. о. в основном имеют воздушное охлаждение стволов. В единых пулемётах, используемых в качестве станковых и ручных, обеспечивается смена нагревшихся стволов в боевых условиях.
Лит.: Материальная часть стрелкового оружия, кн. 1—2, М., 1945—46; Благонравов А. А., Основания проектирования автоматического оружия, М., 1940; Горов Э. А., Гнатовский Н. И., Основания устройства автоматического оружия, Пенза, 1960.
П. И. Сироткин
Рис. к ст. Автоматическое оружие.
Автоматическое повторное включение
Автомати'ческое повто'рное включе'ние (АПВ), быстрое автоматическое обратное включение в работу высоковольтных линий электропередачи и электрооборудования высокого напряжения после их автоматического отключения; одно из наиболее эффективных средств противоаварийной автоматики. Повышает надёжность электроснабжения потребителей и восстанавливает нормальный режим работы электрической системы. Во многих случаях после быстрого отключения участка электрической системы, на котором возникло короткое замыкание в результате кратковременного нарушения изоляции или пробоя воздушного промежутка, при последующей подаче напряжения повторное короткое замыкание не возникает.
А. п. в. выполняется с помощью автоматических устройств, воздействующих на высоковольтные выключатели после их аварийного автоматического отключения от релейной защиты. Многие из этих автоматических устройств обеспечивают А. п. в. при самопроизвольном отключении выключателей, например при сильных сотрясениях почвы во время близких взрывов, землетрясениях и т. п. Эффективность А. п. в. тем выше, чем быстрее следует оно за аварийным отключением, т. е. чем меньше время перерыва питания потребителей. Это время зависит от длительности цикла А. п. в. В электрических системах применяют однократное А. п. в. – с одним циклом, двукратное – при неуспешном первом цикле, и трёхкратное – с тремя последовательными циклами. Цикл А. п. в. – время от момента подачи сигнала на отключение до замыкания цепи главными контактами выключателя – состоит из времени отключения и включения выключателя и времени срабатывания устройства А. п. в. Длительность бестоковой паузы, когда потребитель не получает электроэнергию, выбирается такой, чтобы успело произойти восстановление изоляции (деионизация среды) в месте короткого замыкания, привод выключателя после отключения был бы готов к повторному включению, а выключатель к моменту замыкания его главных контактов восстановил способность к отключению поврежденной цепи в случае неуспешного А. п. в. Время деионизации зависит от среды, климатических условий и других факторов. Время восстановления отключающей способности выключателя определяется его конструкцией и количеством циклов А. п. в., предшествовавших данному. Обычно длительность 1-го цикла не превышает 0,5—1,5 сек, 2-го – от 10 до 15 сек, 3-го – от 60 до 120 сек.
Наиболее распространено однократное А. п. в., обеспечивающее на воздушных линиях высокого напряжения (110 кв и выше) до 86%, а на кабельных линиях (3—10 кв) – до 55% успешных включений. Двухкратное А. п. в. обеспечивает во втором цикле до 15% успешных включений. Третий цикл увеличивает число успешных включений всего на 3—5%. На линиях электропередачи высокого напряжения (от 110 до 500 кв) применяется однофазовое А.п. в.; при этом выключатели должны иметь отдельные приводы на каждой фазе.
Применение А. п. в. экономически выгодно, т. к. стоимость устройств А. п. в. и их эксплуатации несравнимо меньше ущерба из-за перерыва в подаче электроэнергии.
Лит.: Соловьев И. И., Автоматизация энергетических систем, 2 изд., М.– Л., 1956; Барзам А. Б., Системная автоматика, 2 изд., М.– Л., 1964.
М. И. Царев.
Автоматическое регулирование возбуждения
Автомати'ческое регули'рование возбужде'ния (АРВ), процесс изменения по заданным условиям тока возбуждения электрических машин. Осуществляется на синхронных генераторах, мощных синхронных двигателях, синхронных компенсаторах, на генераторах и двигателях постоянного тока и на других специальных электрических машинах изменением напряжения на обмотке возбуждения. При этом изменяется сила тока возбуждения электрической машины и, как следствие, основной магнитный поток и эдс в обмотках якоря. АРВ синхронных генераторов осуществляется в основном с целью обеспечения заданного напряжения в электрической сети, а также для повышения устойчивости их параллельной работы на общую сеть. АРВ широко применяется в электроприводе постоянного тока для поддержания постоянства частоты вращения рабочего органа машины путём воздействия на ток возбуждения двигателя или питающего генератора.
Различают АРВ пропорционального и сильного действия. АРВ пропорционального действия характеризуется изменением силы тока возбуждения пропорционально отклонению напряжения на зажимах машины от заданного значения (отрицательная обратная связь по напряжению). Регуляторы возбуждения пропорционального действия могут содержать устройства компаундирования (положительная обратная связь по току машины) и стабилизации (гибкая отрицательная обратная связь по напряжению возбуждения). АРВ пропорционального действия не обеспечивает достаточной точности поддержания напряжения электрических станций, работающих на дальние линии электропередачи и в случаях, когда в системе имеются резкопеременные нагрузки, приводящие к значительным колебаниям напряжения. Тогда применяют АРВ сильного действия, при котором увеличение эффективности достигается введением регулирования возбуждения по отклонению напряжения, по производным от тока, напряжения, частоты и др., выбираемых в определенных соотношениях; характеризуется высоким быстродействием и большой мощностью системы возбуждения.
Приоритет создания АРВ сильного действия принадлежит советским энергетикам; это способствовало решению одной из важных проблем электроэнергетики – передачи больших мощностей по линиям переменного тока на дальние расстояния. Впервые АРВ сильного действия было осуществлено на Волжской ГЭС им. В. И. Ленина (1955—57).
Лит.: Иносов В. Л., Цукерник Л. В., Компаундирование и электромагнитный корректор напряжения синхронных генераторов, М.– Л., 1954; Веников В. А., Электромеханические переходные процессы в электрических системах, М.– Л., 1958; Сильное регулирование возбуждения, М.– Л., 1963; Андреев В. П., Сабинин Ю. А., Основы электропривода, 2 изд., М.– Л., 1963.
В. П. Васин, В. А. Строев.
Автоматическое регулирование напряжения
Автомати'ческое регули'рование напряже'ния (АРН), процесс поддержания напряжений в узловых точках электрической системы в заданных пределах, осуществляемый для обеспечения технически допустимых условий работы потребителей электрической энергии и собственно системы, а также для повышения экономичности их работы (см. Энергосистема). У большинства потребителей электроэнергии допускаются длительные отклонения напряжения от номинального не более чем на ±5%. Превышение номинального напряжения приводит к сокращению срока службы потребителей электроэнергии, уменьшение – снижает производительность и экономичность работы потребителей, пропускную способность линий электропередачи, может нарушить устойчивость работы синхронных машин и асинхронных двигателей.
Необходимость АРН вызывается переменными режимами работы потребителей и источников электроэнергии. Так, с увеличением нагрузок возрастает сила тока в сети, а следовательно, и потери напряжения в различных её участках, вследствие чего напряжения у потребителей могут выходить за допустимые пределы. В связи с этим на шинах электростанций и на шинах вторичного напряжения районных подстанций осуществляется, как правило, встречное (согласное) регулирование, при котором с увеличением нагрузок напряжение держится выше номинального, а при снижении нагрузок – понижается. Это уменьшает размах отклонений напряжений у потребителей. Однако в общем случае такое регулирование не исключает необходимости АРН у каждого потребителя.
АРН на электростанциях осуществляется регулированием возбуждения синхронных генераторов (см. Автоматическое регулирование возбуждения). На подстанциях АРН осуществляется регулированием возбуждения синхронных компенсаторов, если они установлены на этих подстанциях, или автоматическим изменением под нагрузкой коэффициента трансформации трансформаторов, а также регулированием мощности батарей статических конденсаторов. У потребителей электроэнергии АРН осуществляется регулированием возбуждения мощных синхронных двигателей и регулированием мощности батарей статических конденсаторов. Вопрос о конкретном выборе регулирующих устройств решается на основе технико-экономического анализа.
Лит.: Глазунов А. А. и Глазунов А. А., Электрические сети и системы, 4 изд., М.– Л., 1960; Барзам А. Б., Системная автоматика, 2 изд., М.– Л., 1964; Мельников Н. А., Солдаткина Л. А., Регулирование напряжения в электрических сетях, М., 1968.
В. П. Васин, В. А. Строев.
Автоматическое регулирование частоты
Автомати'ческое регули'рование частоты' (АРЧ), процесс поддержания частоты переменного тока в энергосистеме в пределах, допустимых техническими требованиями и условиями экономичности её работы (см. Энергосистема). Нормальное функционирование значительной части потребителей электроэнергии зависит от частоты питающего тока. У некоторых производственных агрегатов, например бумагоделательных, текстильных машин, существенные отклонения частоты приводят к браку продукции, а иногда и к аварии. При снижении частоты сильно уменьшается производительность питающих насосов тепловых электростанций, что грозит нарушением работы энергосистемы. В СССР номинальное значение частоты переменного тока в энергосистемах равно 50 гц. Допускается длительное отклонение не более 0,1 гц, т. е. 0,2%.
Частота переменного тока энергосистемы определяется частотой вращения параллельно работающих синхронных генераторов. При изменении потребляемой мощности происходит ускорение или торможение генераторов, и частота в системе меняется. Для обеспечения нужного уровня частоты необходимо изменять мощность турбин. Это осуществляется регуляторами скорости, которые регулируют впуск энергоносителя (вода, пар, газ) в турбину. АРЧ, осуществляемое регуляторами скорости, называется первичным регулированием. За исключением особых случаев, первичное регулирование недостаточно для поддержания в энергосистеме нормального уровня частоты. Поэтому осуществляется дополнительное, вторичное регулирование частоты. Для этого устанавливаются специальные устройства, которые, воздействуя на регулятор скорости, вызывают добавочное изменение впуска энергоносителя в турбину.
При осуществлении вторичного регулирования частоты на нескольких агрегатах или станциях системы возникает необходимость обеспечения устойчивого распределения нагрузки между ними. Эта задача связана с регулированием активной мощности и оптимальным распределением нагрузок между агрегатами.
Лит.: Соловьев И. И., Автоматизация энергетических систем, 2 изд., М.– Л., 1956; Москалев А. Г., Автоматическое регулирование режима электрической системы по частоте и активной мощности, М.– Л., 1960.
В. П. Васин, В. А. Строев.
Автоматическое управление
Автомати'ческое управле'ние в технике, совокупность действий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления. А. у. широко применяется во многих технических и биотехнических системах для выполнения операций, не осуществимых человеком в связи с необходимостью переработки большого количества информации в ограниченное время, для повышения производительности труда, качества и точности регулирования, освобождения человека от управления системами, функционирующими в условиях относительной недоступности или опасных для здоровья (см. Автоматизация производства, Автоматизация управленческих работ, Большая система). Цель управления тем или иным образом связывается с изменением во времени регулируемой (управляемой) величины – выходной величины управляемого объекта. Для осуществления цели управления, с учётом особенностей управляемых объектов различной природы и специфики отдельных классов систем, организуется воздействие на управляющие органы объекта – управляющее воздействие. Оно предназначено также для компенсации эффекта внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить требуемое поведение регулируемой величины. Управляющее воздействие вырабатывается устройством управления (УУ). Совокупность взаимодействующих управляющего устройства и управляемого объекта образует систему автоматического управления.
Система автоматического управления (САУ) поддерживает или улучшает функционирование управляемого объекта. В ряде случаев вспомогательные для САУ операции (пуск, остановка, контроль, наладка и т.д.) также могут быть автоматизированы. САУ функционирует в основном в составе производственного или какого-либо другого комплекса.
История техники насчитывает много ранних примеров конструкций, обладающих всеми отличительными чертами САУ (регулирование потока зерна на мельнице с т. н. «потряском», уровня воды в паровом котле машины Ползунова, 1765, и т. д.). Первой замкнутой САУ, получившей широкое техническое применение, была система автоматического регулирования с центробежным регулятором в паровой машине Уатта (1784). По мере совершенствования паровых машин, турбин и двигателей внутреннего сгорания всё более широко использовались различные механические регулирующие системы и устройства, достигшие значительного развития в конце 19 – начале 20 вв. Новый этап в А. у. характеризуется внедрением в системы регулирования и управления электронных элементов и устройств автоматики и телемеханики. Это обусловило появление высокоточных систем слежения и наведения, телеуправления и телеизмерения, системы автоматического контроля и коррекции. 50-е гг. 20 в. ознаменовались появлением сложных систем управления производственными процессами и промышленными комплексами на базе электронных управляющих вычислительных машин.
САУ классифицируются в основном по цели управления, типу контура управления и способу передачи сигналов. Первоначально перед САУ ставились задачи поддержания определённых законов изменения во времени управляемых величин. В этом классе систем различают системы автоматического регулирования (CAP), в задачу которых входит сохранение постоянными значения управляемой величины; системы программного управления, где управляемая величина изменяется по заданной программе; следящие системы, для которых программа управления заранее неизвестна. В дальнейшем цель управления стала связываться непосредственно с определёнными комплексными показателями качества, характеризующими систему (её производительность, точность воспроизведения и т. п.); к показателю качества могут предъявляться требования достижения им предельных (наибольших или наименьших) значений, для чего были разработаны адаптивные, или самоприспосабливающиеся системы. Последние различаются по способу управления: в самонастраивающихся системах меняются параметры устройства управления, пока не будут достигнуты оптимальные или близкие к оптимальным значения управляемых величин; в самоорганизующихся системах с той же целью может меняться и её структура. Наиболее широки, в принципе, возможности самообучающихся систем, улучшающих алгоритмы своего функционирования на основе анализа опыта управления. Отыскание оптимального режима в адаптивных САУ может осуществляться как с помощью автоматического поиска, так и беспоисковым образом.
Способ компенсации возмущений связан с типом контура управления системы. В разомкнутых САУ на УУ не поступают сигналы, несущие информацию о текущем состоянии управляемого объекта, либо в них измеряются и компенсируются главные из возмущений, либо управление ведётся по жёсткой программе, без анализа каких-либо факторов в процессе работы. Основной тип САУ – замкнутые, в которых осуществляется регулирование по отклонению, а цепь прохождения сигналов образует замкнутый контур, включающий объект управления и УУ; отклонения управляемой величины от желаемых значений компенсируются воздействием через обратную связь, вне зависимости от причин, вызвавших эти отклонения. Объединение принципов управления по отклонению и по возмущению приводит к комбинированным системам. Часто, помимо основного контура управления, замыкаемого главной обратной связью, в САУ имеются вспомогательные контуры (многоконтурные системы) для стабилизации и коррекции динамических свойств. Одновременное управление несколькими величинами, влияющими друг на друга, осуществляется в системах многосвязного управления или регулирования.
По форме представления сигналов различают дискретные и непрерывные САУ. В первых сигналы, по крайней мере в одной точке цепи прохождения, квантуются по времени (см. Импульсная система), либо по уровню (см. Релейная система), либо как по уровню, так и по времени (см. Квантование сигнала).
Простейший пример САУ – система прямого регулирования частоты вращения двигателя (рис. 1). Цель управления – поддержание постоянной частоты вращения маховика, управляемый объект – двигатель 1; управляющее воздействие – положение регулирующей заслонки дросселя 3; УУ – центробежный регулятор 2, муфта 4 которого смещается под действием центробежных сил при отклонении от заданного значения частоты вращения вала 5, жестко связанного с маховиком. При смещении муфты изменяется положение заслонки дросселя. Структурная схема рассмотренного примера (рис. 2) типична для многих САУ вне зависимости от их физической природы. Описанная система представляет собой замкнутую одноконтурную непрерывную систему автоматического регулирования механического действия, допускающую линеаризацию при исследовании.
Промышленность выпускает универсальные регуляторы, в том числе с воздействием по производной, по интегралу (см. Коррекция динамических свойств), экстремальные регуляторы, для управления различными объектами. Специализированные САУ широко применяются в различных областях техники, например: следящая система управления копировально-фрезерным станком по жёсткому копиру; САУ металлорежущих станков с программным управлением от магнитной ленты, перфоленты или перфокарты (преимущества такого управления заключаются в относительной универсальности, лёгкости перестройки программы и высокой точности обработки деталей); система программного управления реверсивным прокатным станом, включающая в свой контур управляющую вычислительную машину. В относительно медленных технологических процессах в химической и нефтяной промышленности распространены многосвязные САУ, осуществляющие регулирование большого количества связанных величин; так, при перегонке нефти информация о температуре, давлении, расходе и составе нефтепродуктов, получаемая от нескольких сотен датчиков, используется для формирования сигналов управления десятками различных регуляторов. САУ играют важную роль в авиации и космонавтике, например автопилот представляет собой САУ связанного регулирования, а иногда и самонастраивающуюся систему. В военной технике применяются высокоточные следящие системы, часто включающие вычислительные устройства (например, система углового сопровождения радиолокационной станции). При анализе многих физиологических процессов в живом организме, таких как кровообращение, регуляция температуры тела у теплокровных животных, двигательные операции, обнаруживаются характерные черты САУ (см. Кибернетика биологическая).
Задачи синтеза устройств А. у. и анализа процессов в управляемых системах являются предметом теории автоматического управления.
Р. С. Рутман
Теория автоматического управления (ТАУ) изучает принципы построения систем автоматического управления и закономерности протекающих в них процессов, которые она исследует на динамических моделях действительных систем с учётом условий работы, конкретного назначения и конструктивных особенностей управляемого объекта и автоматических устройств, с целью построения работоспособных и точных систем управления.
Первоначально ТАУ развивалась как теория автоматического регулирования (ТАР) и была одним из разделов теоретической и технической механики. На этой стадии ТАУ изучала процессы управления паровыми котлами и электрическими машинами, но раздельно в пределах только теплотехники и только электротехники. Быстрое развитие всех отраслей техники и промышленности сопровождалось совершенствованием методов и средств техники управления; обнаружилась аналогичность процессов управления в технических устройствах, независимо от их природы и назначения. С развитием управления в технике шло также изучение проблем управления в организмах и в экономических системах. Вплоть до середины 20 в. исследования процессов управления в этих разнородных объектах не были связаны. В технике управляющие устройства, внешние по отношению к объектам, создаются отдельно и лишь затем соединяются с объектами в единую систему управления. На основе изучения взаимодействия этих устройств с объектами была выявлена общность процессов управления. Именно поэтому ТАР зародилась в технике и превратилась в самостоятельную техническую науку. В живых организмах и в экономике органы управления составляют неотъемлемую часть этих объектов. Здесь нет необходимости конструирования отдельно действующих органов управления, а изучение всего механизма управления велось разрозненно в соответствующих областях знаний без участия специалистов по управлению. Однако процессы управления, обладающие определенной спецификой в биологии и экономике, потребовали обязательной коллективной работы специалистов различных областей науки и техники, тем более при современном уровне развития науки, когда выявилась также и необходимость взаимного обмена знаниями. Н. Винеру принадлежала мысль об общности процессов управления в технике, живых организмах и в экономике и необходимости совместной деятельности учёных различных специальностей (см. Кибернетика). Этот вывод подготовлялся длительное время и многими другими исследователями. Было обнаружено, что техническая наука – ТАР, способна объяснить процессы управления и влиять на них не только в технике; сфера её применения расширилась, но при этом усложнились цели и методы теории, которая получила новое название «Теория автоматического управления». Для ТАР характерна задача стабилизации заданного состояния объекта. В ТАУ эта задача входит составной частью в проблему приспособления, или адаптации, которая присуща живым организмам и экономическим организациям. Но и для техники эти проблемы весьма актуальны, если учесть переменность параметров объектов управления, работу их при меняющихся условиях, а также оценку эффективности этой работы в чисто экономических терминах, например прибыльность или уменьшение затрат труда и материалов. Так возникла проблема синтеза и анализа систем автоматического управления – основная проблема ТАУ. Решение её требует изучения динамических свойств САУ, для чего необходимо математическое описание поведения всех элементов системы в переходных процессах. В общем случае процессы в объектах описываются системами обыкновенных дифференциальных уравнений или уравнений в частных производных в зависимости от того, имеют ли объекты сосредоточенные или распределенные параметры. Элементы автоматических устройств также описываются системами дифференциальных уравнений. Специфичен для ТАУ последующий переход от линейных уравнений к передаточным функциям – операторным выражениям дифференциальных и разностных уравнений. Передаточные функции позволяют легко представить математическую модель системы в виде структурной схемы, состоящей из типовых динамических звеньев. ТАУ вводит понятия динамических характеристик – передаточных функций, частотных и временных характеристик, упрощающих составление математических моделей системы и последующие анализ и синтез систем. Динамический анализ САУ выясняет их работоспособность и точность. Необходимым условием работоспособности САУ служит их устойчивость (см. Устойчивость системы автоматического управления). Для её исследования разработаны критерии устойчивости, позволяющие определять условия устойчивости и необходимые запасы её по косвенным признакам, минуя весьма трудную операцию интегрирования уравнений движения системы. Устойчивость достигается изменением параметров системы и её структуры. В нелинейных САУ исследуется возможный для этих систем режим автоколебаний. Если же по самому принципу действия САУ, например для релейных систем, эти колебания неизбежны, то устанавливаются допустимые параметры – амплитуда и частота автоколебаний. Точность САУ оценивается показателями, которые в совокупности называется качеством управления (см. Точность систем автоматического управления), Важнейшие показатели качества САУ: статические и динамические погрешности и время регулирования (см. Погрешность в системе автоматического регулирования). Эти показатели определяются сравнением действительного переходного процесса изменения управляемых величин с требуемым законом их изменения; обычно они указываются для одного из типовых законов изменения управляемой величины. В ТАУ, так же как и при анализе устойчивости, пользуются косвенными методами анализа качества, не требующими решения исходных уравнений. Для этого вводятся критерии качества – косвенные оценки показателей качества (см. Качества показатели системы автоматического управления). При действии на САУ случайных возмущений наиболее распространён критерий качества динамической точности – средняя квадратичная ошибка. Эта величина относительно просто может быть связана со статистическими характеристиками возмущающих воздействий и параметрами передаточной функции системы. САУ, в которой достигнут экстремум какого-либо показателя качества, именуется оптимальной системой. Нелинейные системы обладают более широкими возможностями достижения оптимума определённого показателя качества, чем системы линейные. Это обусловило применение нелинейных связей для повышения качества систем управления. Анализ системы управления устанавливает свойства системы с уже заданной структурой. Построение алгоритма управления и разработка соответствующей ему структуры системы, выполняющей заданную цель при требуемом качестве управления, установление значений параметров этой системы составляет содержание проблемы синтеза. До начала разработки системы управления сообщаются необходимые для этого исходные данные: свойства управляемого объекта, характер действующих на него возмущений, цель управления и требуемая точность управления. К объекту управления относится его управляющий орган, через который передаётся воздействие на объект от управляющего устройства. Известные характеристики управляющего органа сразу же определяют характеристики исполнительного механизма управляющего устройства. Но на этом обрывается цепь частей системы управления, свойства которых определяются однозначно их взаимным влиянием друг на друга. Так вводится понятие неизменяемой части системы управления – неизменяемой в том смысле, что свойства её заданы до начала конструирования алгоритма управления и, как правило, не могут быть изменены. Заданная цель управления определяет и способ управления. В результате выясняется в общих чертах блочная схема системы управления. В основном пользуются 2 методами решения проблемы синтеза – аналитическим и последовательных приближений. При первом либо находится вид передаточной функции автоматического устройства или алгоритм управления, либо при выбранной структуре указанного устройства устанавливаются значения его параметров, дающие экстремум критерию качества. Этот метод позволяет сразу найти оптимальное решение, но он часто приводит к сложными громоздким вычислениям. Во втором методе по заданному критерию качества определяется передаточная функция автоматического устройства и затем для полученной системы сравниваются заданные показатели качества с их действительными значениями. Если приближение оказывается допустимым, расчёт считается законченным и можно приступить к конструированию устройства. Если же приближение оказывается недостаточным, то изменяется вид передаточной функции до получения варианта, удовлетворяющего заданным требованиям точности. При построении сложных систем управления, кроме теоретических методов, применяется моделирование с применением аналоговых и цифровых вычислительных машин, на которых воспроизводятся уравнения, описывающие всю систему управления в целом, и по результатам расчётов, заканчивающихся при достижении требуемых показателей качества, устанавливается структура устройства управления. Такой метод синтеза близок по идее к методу последовательных приближений. Моделирование позволяет оценить влияние таких факторов, как нелинейность ограничения координат, переменность параметров, которые ставят почти непреодолимые преграды для аналитического исследования. Применение вычислительных машин освобождает от трудностей расчёта. Они также используются в составе САУ для выполнения сложных алгоритмов управления, которые особенно характерны для адаптивных и оптимальных систем и систем с прогнозированием конечного результата управления. Решение проблемы синтеза САУ способствовало появлению новых эффективных принципов управления и развитию важных самостоятельных направлений в ТАУ: оптимальное управление, статистичная динамика и чувствительность систем управления. Теория оптимального управления позволила установить структуры систем управления, обладающих предельно высокими показателями качества при учёте реальных ограничений, накладываемых на переменные. Показатели оптимальности могут быть весьма разнообразными. Выбор их зависит от конкретно поставленной задачи. Такими показателями служат показатели динамических свойств всей системы в целом, критерии экономичности режимов управляемых объектов и др. Распространены оптимальные по быстродействию системы, которые переводят объект из одного состояния в другое за минимальный промежуток времени.
