Теория за автоматично управление и регулиране
Препоръчано от Методическия съвет на FESTU като учебно помагало
2005 Въведение
Сред научните дисциплини, които формират науката за контрола, включват теорията на автоматичния контрол (TAU) и регулирането. Първоначално той е създаден за изследване на статиката и динамиката на автоматичните процеси на управление на технически обекти - производство, енергия, транспорт и др. Основното му значение е запазено и в момента, въпреки че през последните години се използват и неговите изводи и резултати да се изследват динамичните свойства на системата за управление не само технически, но и икономически, организационни, биологични и др.
За извършване на автоматичен контрол на техническия процес се създава система, състояща се от контролиран обект и свързано с него управляващо устройство. Както всяка техническа структура, системата трябва да има структурна твърдост и динамична якост. Тези чисто механични термини в този случай са донякъде произволни. Те означават, че системата трябва да изпълнява възложените й функции с необходимата точност, въпреки инерционните свойства и неизбежните смущения. Докато обектът има достатъчна твърдост и динамична якост, не възниква необходимост от автоматично регулиране.
Очевидно създателите на високо прецизни механизми, предимно часовници, са се сблъскали с необходимостта от изграждане на регулатори. Дори много малък, но непрекъснато действащ шум, който се натрупва, в крайна сметка доведе до отклонения от нормалния курс, неприемливи по отношение на точността. Не винаги е било възможно да им се противодейства с чисто конструктивни средства, например подобряване на точността и чистотата на обработката на частите, увеличаване на тяхната маса или увеличаване на полезните усилия, а в състава на часовника започнаха да се въвеждат регулатори за подобряване на точността. В началото на нашата ера арабите осигуриха воден часовник с регулатор на нивото на поплавъка. През 1675 г. Х. Хюйгенс вгражда махало-регулатор в часовника.
Друга причина, която подтикна изграждането на регулатори, беше необходимостта от управление на процеси, които са обект на толкова силни смущения, че не само загубата на точност, но често и ефективността на системата като цяло. Предшествениците на регулатори за такива условия могат да се считат за центробежни изравнители на скоростта, използвани през Средновековието във водни мелници. Но въпреки че отделни автоматични контролери се появяват в древността, те остават интересни епизоди в историята и не оказват сериозно влияние върху формирането на технологията и теорията на автоматичното управление. Бързото развитие на тези области започва едва през 18 и 19 век, през ерата на индустриалната революция в Европа.
Първите индустриални регулатори от този период могат да се нарекат автоматичен поплавъчен регулатор на захранването на котела на парна машина, построен през 1765 г. от II Ползунов в Барнаул; центробежен регулатор на скоростта на парна машина, за който английският механик Дж. Уат получава патент през 1784 г .; първото софтуерно устройство за управление на тъкачна машина от перфокарта (за възпроизвеждане на шарки върху килими), построено през 1808 г. от J. Jaccard. Тези регулатори като че ли отвориха пътя на потока от изобретения на принципите на регулиране и регулатори, който продължи до средата на 20 век.
Неслучайно парната машина стана първият обект за прилагане на технологията и теорията на регулирането, тъй като тя нямаше способността да работи стабилно сама по себе си, нямаше самонивелиране. Неблагоприятните му динамични свойства често водят до факта, че свързаният към него регулатор не действа според очакванията на дизайнера, разтърсва колата или дори се оказва неспособен да я контролира. Всичко това, естествено, предизвика теоретични изследвания. До края на 60-те години на миналия век обаче теоретичните изследвания на регулирането се отличават с липсата на систематичен подход. Изследователите все още не са осъзнавали, че в технологиите се ражда нова посока. Те вярвали, че регулаторите са само спомагателен придатък към машината, дублиращ функциите на маховиците. В много произведения са разгледани идеални контролери без инерция. Стъпка напред бяха работи, които отчитаха динамиката на регулатора, но в тях регулаторът се разглеждаше отделно от машината. Авторите обикновено постигат добро затихване на вибрациите на самия регулатор, вярвайки, че това е достатъчно за стабилната му работа в машината. С такива подходи теоретичните изследвания не можеха да станат основа за нова наука и бяха само допълнителни частични изследвания в рамките на приложната механика, допълнение към раздела за парните машини.