Краткая история развития автоматики

Лекция 1          

1.1 Введение в предмет «Основы автоматики и управления»

Автоматизация – это идеология и практика использования в промышленном производстве автоматических управляющих устройств, заключается в замене умственной деятельности человека работой автоматических технических средств в отличии от механизации.

Механизация – замена мускульной физической силы человека работой технических устройств.

Теоретической базой автоматизации является техническая кибернетика, технической базой – технические средства, включая ЭВМ.

Создателем кибернетики по праву считают американского математика Норберта Винера (1894-1964). Со времени выхода в 50-х годах двадцатого века книги Н. Винера о кибернетике, эта область знаний (теории и практики управления) настолько бурно развивается, что само понятие “управление”, претерпевает неизбежные изменения, отражающие новые аспекты, как в теоретическом, так и в прикладном плане.

Поэтому сейчас под кибернетикой понимают науку об оптимальном управлении сложными динамическими системами, подразумевая и машину, и общество.

Техническая кибернетика включает в себя 3 раздела:

1) Теория информации, связанная с получением, хранением и переработкой информации, а также передачи ее по каналам связи.

2) Теория автоматического управления. В начале она создавалась для изучения статики и динамики процессов автоматического управления техническими объектами – производственными, энергетическими, транспортными и так далее. Основное ее значение сохранилось и в наше время, хотя в последние годы ее результатами начинают пользоваться и для изучения динамических свойств систем управления не только технического характера, но и экономического, биологического, организационного и т.д.

Для осуществления автоматического управления техническим объектом создается система, состоящая из управляемого объекта и связанного с ним управляющего устройства. Как и всякое техническое сооружение, система должна обладать конструктивной жесткостью и динамической прочностью. Эти чисто механические термины в данном случае несколько условны. Они означают, что система должна выполнять заданные ей функции с требуемой точностью, несмотря на инерционные свойства и на неизбежные помехи. Пока объект обладает достаточной конструктивной жесткостью и динамической прочностью, потребности в автоматическом управлении (регулировании) не возникают. То есть теория автоматического управления (ТАУ) занимается вопросами описания и расчета систем управления техническими объектами на основе алгебраических, дифференциальных, интегральных уравнений и методов высшей математики.

3) Инженерная психология и эргономика, связанная с функционированием человека в системе управления

 Под управлением – будем понимать процесс организации такого целенаправленного воздействия на объект, при котором объект переходит в требуемое состояние или положение.

Область технической кибернетики, описывающая методы и средства управления в технических системах называется автоматикой

Автоматика  - отрасль науки и техники, охватывающая совокупность методов и технических средств, освобождающих человека от непосредственного выполнения операций по контролю и управлению производственными процессами и техническими устройствами.

Автоматика – это древнегреческое слово, обозначающее «самоусилие», «самодействие» (от слов “ауто” – сам и ”матос” – усилие).

Задачей автоматики как науки является разработка принципов и средств, необходимых для управления техническими объектами без участия человека.

Технический объект (станок, двигатель, поточная линия и т.д.), нуждающийся для успешного взаимодействия с другими объектами или внешней средой в специально организованном управляющем воздействии, называется объектом управления (ОУ).

Целенаправленное воздействие на объект управления возможно, если выполняются два условия:

1) Существует совокупность правил, позволяющих добиваться поставленной цели управления в различных ситуациях, т.е. алгоритм управления;

2) Существует автоматическое управляющее устройство (АУУ), способное создавать в соответствии с алгоритмом управления целенаправленное воздействие на объект.

Совокупность объекта управления (ОУ) и автоматического управляющего устройства (АУУ), взаимодействие которых приводит к поставленной цели управления, называется системой автоматического управления (САУ).

Краткая история развития автоматики

Развитие мировой техники шло в трех направлениях:

1) Создание машин двигателей (водяные, ветряные, паровые, дизельные и электрические), которые освободили человека от тяжелого физического труда;

2) Создание машин-орудий, т.е. станков и технологического оборудования различного назначения.

3) Создание машин для контроля и управления производственными процессами. Развитие этого направления было вызвано необходимостью надежно, точно и быстро управлять машинами-двигателями, машинами-орудиями и сложными технологическими процессами.

Идея создания машин и механизмов, которые бы работали без участия человека, возникла в древности. Первые автоматические действующие устройства, созданные людьми, создавались и использовались в религиозных или развлекательных целях. Практического значения автоматы древности и средневековья, за редким исключением, не имели.

С необходимостью построения управляющих устройств первыми столкнулись создатели высокоточных механизмов, в первую очередь, часов. Даже очень небольшие, но действующие непрерывно, помехи, накапливаясь, приводили, в конечном итоге, к отклонениям от нормального хода, недопустимым по условиям точности. Противодействовать им чисто конструктивными методами, например, улучшая точность и чистоту обработки деталей, повышая их массу или увеличивая полезные усилия, не всегда удавалось. И для повышения точности, в состав часов стали вводить регуляторы. На рубеже нашей эры арабы снабдили поплавковым регулятором уровня водяные часы.

 Первое автоматическое устройство практического назначения было изобретено Гюйгенсом в 1657г – автоматический регулятор маятникового типа для стабилизации скорости хода часового механизма.

Другой причиной, побудившей строить регуляторы, была необходимость управлять процессами, подверженными столь сильным помехам, что при этом утрачивалась не только точность, но зачастую и работоспособность системы вообще. Предшественниками регуляторов для таких условий можно считать применявшиеся еще в средних веках центробежные маятниковые уравнители скорости хода водяных мукомольных мельниц.

Первые автоматические устройства промышленного назначения появились в связи с изобретением и развитием паровых машин и турбин в 18 и 19 веках в эпоху промышленного переворота в Европе.

Первым автоматическим регулятором такого типа является поплавковый регулятор питания парового котла, разработанный знаменитым русским механиком и изобретателем Н.И. Ползуновым в 1765 году. Он был применен на барнаульском механическом заводе для поддержания заданного уровня воды в паровом котле паровой поршневой машины.

 В 1784 году английский механик Джеймс Уатт получил патент на центробежный регулятор скорости паровой машины, используемый для поддержания постоянства частоты вращения.

Принцип работы этих регуляторов оказался одним и тем же: они поддерживают заданное значение физического параметра не точно, а в некотором заданном диапазоне, поэтому такой принцип регулирования, широко применяемый в настоящее время, называется принципом “Ползунова-Уатта”.

 К первым промышленным регуляторам относят также первое программное устройство управления ткацким станком от перфокарты, построенное в 1808 году Жаккаром. Оно применялось для воспроизведения узоров на коврах.

Эти регуляторы как бы открыли путь потоку изобретений принципов регулирования и регуляторов, продолжающемуся вплоть до середины 20-го века.

Паровая машина не случайно стала первым объектом для применения техники и теории управления, т.к. она не обладала способностью работать сама по себе, не имела “самовыравнивания”. Ее неблагоприятные динамические свойства часто приводили к тому, что подключенный к ней регулятор действовал не так, как ожидал конструктор, “раскачивал” машину или вообще оказывался неспособным управлять ею. Все это, естественно, побуждало к проведению теоретических исследований.

Три фундаментальные работы внесли коренное изменение в подходе к проблеме и в методологии исследований и содержали, по существу, изложение начал новой науки об управлении.

Это работы Дж. Максвелла “О регуляторах” (1866 г.) и Вышнеградского

“Об общей теории регуляторов” (1876) и “О регуляторах прямого действия” (1877 г.).

Максвелл и Вышнеградский впервые рассмотрели паровую машину и регулятор как единую динамическую систему, что позволило разработать методику исследования самых разнообразных по принципам действия и конструкции систем, заложить основы теории устойчивости и установить ряд важных общих закономерностей регулирования (по принципу обратной связи).

Особо важную роль в то время сыграла работа профессора Петербургского технологического института Вышнеградского “О регуляторах прямого действия” (1877 г.). В этой работе был проведен детальный анализ характеристик паровой машины и регулятора Уатта, раскрыта динамика работы машины и доказано, что во время работы регулятор и машина образуют единую систему. Эта работа отличалась глубоким инженерным подходом, рассмотрением важных для техники тех лет объектов и содержала кроме ценных практических рекомендаций истоки ряда современных методов исследования качества регулирования (диаграммы устойчивости и распределения корней, выделение областей устойчивости и монотонности и так далее).

Поэтому современники считали Вышнеградского основоположником теории автоматического управления (регулирования).

Работа Максвелла осталась в то время практически незамеченной, поскольку рассматривала малоинтересный для широкого круга инженеров объект (механизм ведения телескопа), явно полезных практических выводов не делала и рекомендовала регуляторы (астатические), практически непригодные для промышленных машин того времени. Ее роль была оценена значительно позже, когда теория автоматического управления (ТАУ) сформировалась в самостоятельную дисциплину.

Одна из первых теоретических работ, посвященных созданию теоретических основ работы и расчёта автоматических регуляторов, выполнена русским математиком П.Л. Чебышевым и посвящена теории работы астатического регулятора.

Помимо этих ученых большой вклад в развитие ТАУ внесли работы словацкого инженера и ученого Стодолы, рассматривавшего вопросы устойчивости регулирования паровых и гидравлических турбин, в учете влияния на процесс регулирования длинного трубопровода;

- Гурвица, разработавшего детерминантный критерий устойчивости по просьбе Стодолы (детерминантный – от лат.: “определитель” - определяющий);

- Рауса, разработавшего алгоритм для оценки расположения корней характеристического уравнения и устойчивости (по рекомендации Максвелла).

В 1892 году А.М. Ляпунов опубликовал работу “Общая задача устойчивости движения”, в которой доказал возможность решения вопросов устойчивости регулирования. Большой вклад в развитие автоматики внесли работы русских ученых Циолковского и Жуковского. Н.И. Жуковский является автором труда “О прочности движения” и первого русского учебника “Теория регулирования хода машин” (1909 г.), в которых дал описание процессов в длинных трубопроводах, рассмотрел влияние сухого трения в регуляторах, исследовал некоторые процессы импульсного регулирования посредством уравнений в конечных разностях.

Значительное развитие получили работы по теоретическим и прикладным вопросам автоматики в нашей стране. Фундаментальные работы выполнены И.Н. Вознесенским, А.А. Андроновым, И.М. Крыловым, А.Н. Колмогоровым, А.В. Михайловым, В.Н. Петровым, Л.С. Понтрягиным, А.А. Фельдбаумом, В.В. Солодовниковым, А.Г. Бутковским и многими другими. Эти работы способствовали установлению приоритета нашей науки в ряде ведущих областей теории управления.

Развитие науки позволило осуществить широкое внедрение автоматического управления в технике и промышленности, в том числе в металлургии и химической промышленности.

Начало работ по автоматизации процессов черной металлургии СССР следует отнести к концу тридцатых годов двадцатого века, когда были разработаны и внедрены системы регулирования теплового режима мартеновских печей на Магнитогорском и Кузнецком металлургических комбинатах.

В довоенные и первые послевоенные годы основные усилия были направлены на создание систем автоматического регулирования отдельных параметров теплового и технологического режимов металлургических агрегатов, таких как температура, давление, расход, уровень, влажность и других.

Широко развернулись работы по автоматизации процессов черной металлургии в пятидесятые годы. Созданы системы регулирования доменных и мартеновских печей, нагревательных и термических печей, прокатных станов, различных энергетических установок. Существенные результаты были получены в области автоматизации процессов электроплавки – разработаны системы управления тепловым и электрическим режимами дуговых печей. В эти же годы В.А. Сорокиным была осуществлена первая попытка применения ЭВМ для расчёта и управления теплового состояния доменной печи.

Со второй половины шестидесятых годов в связи с развитием ЭВМ и появлением достаточно дешёвых, надёжных и быстродействующих ЭВМ в мире появились первые автоматизированные системы управления (АСУ).

Это особенно стало необходимым в связи с появлением и развитием высокопроизводительных агрегатов большой единичной мощности и быстродействующих технологических процессов. В металлургии были созданы 350-ти тонные кислородные конвертеры, прокатные станы производительностью более 5 млн. тонн проката в год и др., поэтому существенно возросли требования к качеству продукции и экономичности производства.

АСУ построены на базе управляющих вычислительных комплексов (УВК), представляющих собой специализированную промышленную ЭВМ, предназначенную для вычислений и реализации функций автоматизированных систем управления. Именно разнообразие этих функций позволило поднять автоматизацию на качественно новый уровень. Автоматизированные системы управления развиваются в двух основных направлениях: автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) и автоматизированные системы управления производственными процессами (АСУП).

До АСУТП имели место так называемые “локальные” системы автоматического регулирования (САР), в которых за функционирование отдельно взятого контура регулирования определённого технологического параметра отвечал свой автоматический регулятор (лат.: “локальный”- местный, ограниченный по месту).

Согласованная работа контуров, число которых в технологическом процессе может быть большим, проводилась оперативным персоналом.

В АСУТП насчитываются десятки – тысячи отдельных локальных контуров регулирования, согласование которых также проводит оперативный персонал, но при использовании управляющего вычислительного комплекса. Таким образом, локальные САР входят в АСУТП, как составная часть.

Автоматизированные системы управления производственными процессами выполняет функции: маркетинга, календарного планирования, поставок сырья, сбыта готовой продукции, финансирования и т.д. Объектом управления для АСУП является трудовой процесс непосредственного производства товарной продукции и вся административно-хозяйственная деятельность предприятия, неизбежно сопровождающая основной процесс производства продукции

В настоящее время созданы принципиально новые системы управления – интеллектуальные АСУ, использующие принципы и методы искусственного интеллекта.

Развитие промышленного производства включает в себя три основные составляющие:

- наука;

- проектирование;

- производство (внедрение).

Автоматизация используется не только в промышленном производстве в виде АСУТП И АСУП. В науке создаются автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), которые позволяют на порядок увеличить производительность труда ученых.

В промышленности созданы системы автоматизированного проектирования (САПР), которые позволяют увеличить скорость проектирования, значительно уменьшая число ошибок в проекте.

Технический прогресс, осуществляемый на основе автоматизации, включает в себя три основные составляющие: АСНИ – САПР - АСУТП, что позволяет значительно повысить эффективность, как научных разработок, так и конечных производственных результатов.

Лекция 2