Реферат: Введение в информационные технологии управления

--PAGE_BREAK--Основные понятия теории управления

Понятие о системах управления. Роль информации в управлении. Виды систем управления
Для осуществления различных технологических, производственных, организационных и экономических процессов необходимо, что бы величины, которые характеризуют эти процессы, удовлетворяли определенным условиям.

Так, например, в энергосистемах должны поддерживаться на постоянном уровне величины напряжения и частоты, в космонавтике необходимо обеспечить движение космического корабля в пространстве по заданной траектории. В экономике необходимо обеспечивать устойчивый равновесный рост.

Создание условий, обеспечивающих требуемое протекание процесса, называется управлением. Управление направлено на достижение определенной цели.

В 40-х годах двадцатого столетия теория управления сформировалась в качестве самостоятельной научной дисциплины, изучающей методы анализа и синтеза систем автоматического управления в технике независимо от их физической природы.

В эти же годы возникла новая научная дисциплина – кибернетика. Слово «кибернетика» происходит от двух греческих слов: «кибер» (в переводе «над») и «наутис» (моряк), т.е. «кибернаутис» – старший над моряками. Греческий философ Платон использовал термин «кибернетика» для названия искусства управления обществом. В 1948 году американский ученый Норберт Винер снова ввел этот термин, определив кибернетику как науку об управлении и связи в живой и неживой природе.

Одно из основных положений кибернетики состоит в том, что управление – это процесс переработки информации. Методы кибернетики находят применение не только при исследованиях процессов управления в неживой природе, но и при исследовании процессов управления в живых организмах и в обществе. Поэтому автоматику рассматривают как раздел кибернетики, посвященный изучению систем автоматического управления в технике (техническая кибернетика).

Агрегат, машина, аппарат, комплекс машин или аппаратов, коллектив предприятия и т.д., в которых протекает процесс, подлежащий управлению, называется объектом управления.

В процессе управления можно выделить следующие элементы:

·                                Первый – получение информации о цели (задаче) управления;

·                                Второй элемент – получение информации о состоянии объекта управления, т.е. о результатах управления;

·                                Третий элемент – анализ полученной информации и принятие решений о требуемых управляемых действиях. Это задача лица принимающего решение;

·                                Четвертый элемент – исполнение принятого решения.

В общем случае процесс управления состоит из получения информации о цели управления, получения информации о результатах управления (поведении управляемого объекта), анализа полученной информации и выработки решения и, наконец, исполнения принятого решения. Для осуществления процесса управления необходимо иметь источники информации о цели и результатах управления, устройство для анализа информации и принятия решения, устройство, реализующее принятое решение (исполнительное устройство).

В целом ряде случаев человек не в состоянии управлять процессом. Так, человек при помощи своих органов чувств не всегда может получать информацию, необходимую для управления. Человек без приборов не может измерять напряжение электрического тока, температуру расплавленного металла, интенсивность радиоактивного излучения, высоту летящего самолета, параметры экономики и другие величины.

Поэтому для получения информации о результатах управления необходимо использовать специальные технические устройства (датчики, измерительные приборы и др.).

Большие скорости протекания управляемых процессов требуют соответственной скорости обработки информации и принятия управляющих решений. Исполнение принятого решения часто требует большой скорости его выполнения и быстродействующих средств обработки информации.

Если элементы процесса управления осуществляются специально созданным техническим устройством, без непосредственного участия человека, то такое управление называется автоматическим.

Автоматически действующее устройство, предназначенное для реализации процесса управления, называется автоматическим управляющим устройством.

В литературе для краткости часто для обозначения автоматических управляющих устройств используются термины «управляющее устройство» и «регулятор».

Когда управление осуществляется совместными действиями технических устройств и человека, то такое управление называют автоматизированным. В этих случаях технические устройства «решают» алгоритмически определенные задачи управления, а также обеспечивают информацией человека, который решает более сложные неформализуемые (нестандартные) задачи управления.

Разновидностью управления является регулирование. Дадим более полные определения понятиям «автоматическое регулирование» и «автоматическое управление».

Автоматическим регулированиемназывается поддержание постоянной или изменение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс.

Автоматическим управлениемназывается автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.

Совокупность объекта управления и управляющего устройства (регулятора) называется системой автоматического управления(регулирования).

Любой процесс управления – это процесс переработки информации. Формой представления информации является сообщение (текст, цифровые данные, графики). Сообщение отображается сигналом, которым является некоторая изменяющаяся физическая величина любой природы, например электрическая, механическая, оптическая и др.


    продолжение
--PAGE_BREAK--Объект автоматического управления


Объектом управленияможет быть машина, аппарат, установка, комплекс машин или аппаратов, цех или предприятие. В системах управления часто объектами управления являются системы автоматического регулирования.

Состояние объекта или системы характеризуется совокупностью переменных величин – параметров состояния (переменных состояния).

Переменные, характеризующие состояние объекта управления, по которым ведется управление, называются управляемыми переменными. Их также называют выходными переменнымиили выходом.

Величины, характеризующие внешнее влияние на объект, называются входными воздействиямиили входными сигналами (входом). Воздействия на объект, вырабатываемые управляющим устройством, называют управляющими воздействиями.

Внешнее воздействие, определяющее требуемый закон изменения управляемой величины, называется задающим воздействием. Это воздействие поступает от специального задающего устройства (элемента).

Воздействия на объект, не зависящие от системы управления, называются возмущающими воздействиями (возмущениями). Различают два вида возмущающих воздействий:

·                                нагрузка;

·                                помехи.

Нагрузкойявляется внешнее воздействие, приложенное к управляемому объекту, не зависящее от управляющего устройства и являющееся причиной изменения режима работы объекта.

Помехи– это внешние воздействия на отдельные элементы управляющего устройства или объекта управления, не содержащие информации, необходимой для управления. Помехамиявляются ошибки измерительных приборов, сбой в электронных машинах и другие нежелательные явления.

Реальные сигналы в системе управления всегда являются смесью полезного сигнала и помехи.

На рис. 1.2 схематически показаны переменные, характеризующие воздействия и состояние объекта управления.

Здесь:

– совокупность управляемых (выходных) переменных обозначена вектором <img width=«146» height=«29» src=«ref-1_1664805278-427.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025">

-                         совокупность управляющих воздействий – вектором <img width=«142» height=«29» src=«ref-1_1664805705-427.coolpic» v:shapes="_x0000_i1026">


-                         задающих воздействий вектором – <img width=«150» height=«29» src=«ref-1_1664806132-436.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027">


-                         возмущающих воздействий – вектором <img width=«142» height=«29» src=«ref-1_1664806568-412.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028">.


Совокупность переменных, характеризующая состояние объекта управления, обозначим вектором <img width=«138» height=«29» src=«ref-1_1664806980-397.coolpic» v:shapes="_x0000_i1029">.Если считать, чтов системе осуществляется управление всеми координатами состояния объекта, то векторы хи усовпадают.

В общем случае вектор уявляется нелинейной векторной функцией управляющих переменных и внешних воздействий:


<img width=«144» height=«32» src=«ref-1_1664807377-658.coolpic» v:shapes="_x0000_i1030">                            (1)
Координаты векторов ии уназывают соответственно управляющимии управляемыми координатами.

Если объект управления характеризуется одной управляющей и одной управляемой величиной, т.е. векторы уи иимеют по одной координате, то объект называется простым, одномерным или односвязным.

Если векторы уи иимеют несколько координат, то объект называется многомерным.


При наличии нескольких взаимно связанных координат векторов
 уи и– объект называют многосвязным.

Правило или функциональная зависимость, в соответствии с которой управляющее устройство формирует управляющее воздействие <img width=«69» height=«25» src=«ref-1_1664808035-298.coolpic» v:shapes="_x0000_i1031"> называется закономили алгоритмом управления.

В общем случае эта зависимость может быть записана так:
<img width=«174» height=«32» src=«ref-1_1664808333-825.coolpic» v:shapes="_x0000_i1032">                               (2)
где F– некоторая, в общем случае нелинейная векторная функция от управляемых переменных у, задающих воздействий gи возмущающих воздействий         f.

Каждый объект управления может рассматриваться в условиях статики и динамики.

В условиях статики компоненты векторов уи иявляются постоянными величинами.

При изучении динамики объекта исследуется зависимость компонент вектора уот времени, т.е. <img width=«66» height=«25» src=«ref-1_1664809158-285.coolpic» v:shapes="_x0000_i1033">.


Параметры объекта могут быть сосредоточенными(постоянными по всем геометрическим координатам) и распределенными(переменными хотя бы по одной координате). Естественно, в первом случае используются обыкновенные дифференциальные уравнения, во втором – дифференциальные уравнения в частных производных (аргументы – время и, по крайней мере, одна геометрическая координата).

Для систем, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями, можно написать
<img width=«196» height=«62» src=«ref-1_1664809443-1069.coolpic» v:shapes="_x0000_i1034">        i=1, 2, …,
n.                 (3)    
Для решения этой системы уравнений должны быть заданы начальные условия.

Если система уравнений (3) может быть сведена к системе линейных дифференциальных уравнений, то объект называется линейным. При описании объекта системой нелинейных дифференциальных уравнений его относят к нелинейным.

При изучении статики определяют характер зависимости управляемых координат уот управляющего воздействия и, называемой статической характеристикой объекта.

Объект управления может быть устойчивым, неустойчивым и нейтральным.

Объект устойчив, если после кратковременного внешнего воздействия он с течением времени возвратится к исходному состоянию или состоянию, близкому к нему.

Различают устойчивость «в малом» и устойчивость «в большом». Некоторые нелинейные объекты могут быть устойчивы «в малом», т.е. при воздействиях, не превышающих определенные пределы, и неустойчивы «в большом», т.е. при воздействиях, больших некоторой величины.

Координата уiв устойчивомобъекте возвращается в исходное состояние после воздействия Duпродолжительностью Dt.

В неустойчивомобъекте после окончания воздействия отклонение от начальной величины управляемой координаты продолжает увеличиваться.

Нейтральнымиобъектами являются такие объекты, в которых по окончании воздействия устанавливается новое состояние равновесия, которое зависит от произведенного воздействия.

Механической аналогией здесь является шарик. В лунке его положение устойчиво, на вершине холма – неустойчиво, а на плоскостион в любом месте находится в равновесии.


    продолжение
--PAGE_BREAK--Принципы автоматического управления


Системы управления разделяются на замкнутые и разомкнутые.

В разомкнутойсистеме управляющее воздействие вырабатывается на основе информации о величине возмущающих воздействий, характеристиках объекта и цели управления. В таких системах управляющее устройство не получает информации о результатах управления. Такое управление называют жестким.

В замкнутойсистеме управляющее воздействие вырабатывается на основе информации о характеристиках объекта, цели и результатах управления. В таких системах осуществлен замкнутый цикл передачи воздействий, т.е. значение управляемой величины на выходе объекта влияет на значение управляющей величины на входе объекта, т.е. эта система с обратной связью. Обратной связьюназывается подача сигнала с выхода какого-нибудь устройства на его вход.

В разомкнутой системе реализуется принцип управления по возмущению.

Основным недостатком разомкнутых систем является то, что в них необходимо измерять и компенсировать отдельно влияние каждого возмущающего воздействия.

Важным достоинством разомкнутых систем является их простота, и они широко используются для решения относительно простых задач управления.

В замкнутой системе управления для формирования управляющего воздействия используется отклонение текущего значения управляемой величины от требуемого значения.

Если обозначить требуемый закон изменения управляемой величины через g(
t), то, принцип автоматического управления построен на использовании для управления объектом величины
<img width=«173» height=«32» src=«ref-1_1664810512-783.coolpic» v:shapes="_x0000_i1035">                               (4)
называемой ошибкойили рассогласованием системы.

Величина <img width=«40» height=«25» src=«ref-1_1664811295-286.coolpic» v:shapes="_x0000_i1036"> отличающаяся от <img width=«35» height=«26» src=«ref-1_1664811581-261.coolpic» v:shapes="_x0000_i1037"> только знаком:
<img width=«173» height=«32» src=«ref-1_1664811842-828.coolpic» v:shapes="_x0000_i1038">                               (5)
называется отклонением.

Принцип управления, основанный на использовании отклонения <img width=«40» height=«25» src=«ref-1_1664811295-286.coolpic» v:shapes="_x0000_i1039"> для формирования управляющего воздействия u(
t) носит название управление по отклонению.

Для его реализации необходимо измерить величину у(t), сравнить ее с величиной g(
t) и в зависимости от величины <img width=«35» height=«26» src=«ref-1_1664811581-261.coolpic» v:shapes="_x0000_i1040"> или <img width=«35» height=«25» src=«ref-1_1664813217-274.coolpic» v:shapes="_x0000_i1041"> осуществлять управляющее воздействие на объект, сводя величину отклонения к минимуму или нулю, и тем самым обеспечить изменение управляемой величины по заданному закону.

При <img width=«63» height=«26» src=«ref-1_1664813491-358.coolpic» v:shapes="_x0000_i1042"> управляющее воздействие должно увеличивать управляемую величину у, а при <img width=«63» height=«26» src=«ref-1_1664813849-360.coolpic» v:shapes="_x0000_i1043"> – уменьшать.

При <img width=«63» height=«26» src=«ref-1_1664814209-334.coolpic» v:shapes="_x0000_i1044"> управляемая величина имеет требуемое значение и величина управляющего воздействия u(
t) должна быть равной нулю.

Важным преимуществом систем управления, работающих на принципе управления по отклонению, является отсутствие жестких требований к стабильности характеристик элементов управляющего устройства и объекта. Это связано с тем, что изменение параметров управляющего устройства или объекта вызывает появление ошибки (отклонения), которая обнаруживается системой и ликвидируется при помощи управляющего устройства.

Следует отметить, что в системах управления работающих на принципе управления по отклонению, к точности устройств, измеряющих величину отклонения, предъявляются весьма жесткие требования.

Системы управления, работающие по отклонению, представляют собой системы с обратной связью.

В зависимости от того, прибавляется сигнал обратной связи к входному сигналу или вычитается из него, имеет место положительнаяили отрицательная обратная связь.

Наряду с важными достоинствами, системам с обратной связью присущи и некоторые недостатки:

·                                Во-первых, для управления по отклонению необходимо наличие отклонения, т.е., прежде чем ликвидировать отклонение, необходимо, чтобы оно сформировалось;

·                                Во-вторых, в замкнутых системах возможно возникновение колебаний.

Оба этих недостатка отсутствуют в системах управления, работающих по возмущению. Поэтому для повышения точности систем управления применяются комбинированныесистемы управления, построенные на использовании сочетания обоих основных принципов управления – по возмущению и отклонению.

Системы комбинированного управления представляют собой один из наиболее совершенных типов. Они находят широкое применение в тех случаях, когда предъявляются высокие требования к точности управления. Для применения комбинированного управления необходимо иметь возможность измерять основные возмущающие воздействия.


    продолжение
--PAGE_BREAK--Функциональная схема системы автоматического управления


Системы управления, реализующие информационные технологии являются сложными комплексами взаимодействующих между собой лиц, принимающих решения, технических устройств и элементов, работающих на различных физических принципах (механических, электрических, гидравлических и др.).

Графическое изображение системы автоматического управления позволяет отвлечься от конкретной физической природы элементов реальной системы.

Функциональной схемойназывается схема, отражающая взаимодействие элементов и устройств автоматики в процессе работы системы управления.

При этом под элементом, как правило, подразумевается конструктивно обособленная часть системы управления, выполняющая одну определенную функцию.

На функциональной схеме элементы изображаются в виде прямоугольников, а входные и выходные величины (сигналы) – в виде прямых линий со стрелками, указывающими направление передачи воздействий (сигналов).

Все многообразие входящих в систему управления элементов обеспечивающих выполнение ИТ по их функциональному назначению в системе управления может быть разбито на несколько типов.

Элемент сравнения является сумматором и обозначается кружком с секторами. Сектор, к которому суммируемая величина подводится со знаком «+», не зачерняется; сектор, к которому суммируемая величина подводится со знаком «– «, зачерняется.

Кроме перечисленных устройств в системе управления могут использоваться корректирующие устройства,предназначенные для улучшения свойств системы.

Совокупность всех элементов системы, кроме объекта управления, образует управляющее устройство, или регулятор. Управляющее устройство изменяет состояние объекта управления путем воздействия на его управляющий (регулирующий) орган.

Управляющий орган является частью системы управления.

Чувствительный элемент предназначен для получения сигнала о состоянии объекта управления, т.е. для измерения выходной координаты объекта управления. Этот сигнал в элементе сравнения вычитается из сигнала задающего элемента. Полученная разность и есть величина рассогласования. После преобразования в ПЭ сигнал поступает к исполнительному элементу, воздействующему на управляющий орган объекта. В некоторых системах управления отдельные из указанных элементов могут отсутствовать или функции нескольких из них может выполнять одно техническое устройство.


Классификация систем управления


Большое разнообразие систем управления требует использования различных признаков их классификации.

По принципу действия, как было показано ранее, выделены системы управления, работающие по замкнутому циклу, работающие по разомкнутому циклу и комбинированные системы.

В зависимости от назначения системы управления делят на системы стабилизации, программного управления, следящие системы.

Системы стабилизациипредназначены для поддержания постоянного значения управляемой величины y(
t). В этих системах задающее воздействие <img width=«136» height=«29» src=«ref-1_1664814543-496.coolpic» v:shapes="_x0000_i1045">.

Системы программного управленияпредназначены для изменения управляемой величины y(
t) по заранее заданной программе, называемой программой управления. В таких системах задающее воздействие является заранее известной функцией времени:


<img width=«101» height=«36» src=«ref-1_1664815039-501.coolpic» v:shapes="_x0000_i1046">                                    (6)

или некоторой другой величины k:
<img width=«130» height=«36» src=«ref-1_1664815540-676.coolpic» v:shapes="_x0000_i1047">                              (7)
Системы программного управления, как и системы стабилизации, могут быть замкнутыми, разомкнутыми и комбинированными.

Следящие системыпредназначены для изменения управляемой величины y(
t) по закону g(
t), который заранее неизвестен.

Следящие системы представляют собой замкнутые системы, реализующие принцип управления по ошибке (отклонению).

По характеру зависимости регулируемой величины от возмущающего воздействия в установившемся режиме системы управления делятся на статические и астатические.

Предел, ккоторому стремится ошибка системы управления с течением времени, называется установившейся ошибкой системы автоматического регулирования:
<img width=«148» height=«52» src=«ref-1_1664816216-648.coolpic» v:shapes="_x0000_i1048">                                    (8)


Система управления называется статической(или обладающей статизмом) по отношению к данному внешнему воздействию, если установившаяся ошибка <img width=«44» height=«33» src=«ref-1_1664816864-224.coolpic» v:shapes="_x0000_i1049"> обусловленная этим воздействием, отлична от нуля.

Система управления называется астатической(или обладающей астатизмом) по отношению к какому-либо внешнему воздействию, если установившаяся ошибка, обусловленная этим воздействием, равна нулю.

В системах стабилизации при действии нескольких возмущений стремятся обеспечить, если это возможно, астатизм по основному возмущению.

Замкнутая система управления или регулирования имеет хотя бы одну обратную связь, которая передает на вход сравнивающего элемента действительное значение управляемой величины. Эта обратная связь называется главной.

Системы управления, имеющие только одну (главную) обратную связь, называются одноконтурными. В таких системах сигнал, приложенный к какому-либо элементу системы, может, пройдя через систему, вернуться в исходную точку только по одному пути.

Системы управления, кроме главной обратной связи, могут иметь несколько дополнительных местных обратных связейв корректирующих или исполнительных элементах системы для придания ей нужных свойств.

Так, например, для того чтобы получить астатическую систему из статической, в последнюю включают корректирующую цепь с элементом, который подает на вход чувствительного или исполнительного элемента интеграл от сигнала ошибки системы.

Системы управления, имеющие одну или несколько местных обратных связей, называются многоконтурными. В таких системах воздействие, приложенное к некоторому элементу, может обойти систему и вернуться в исходную точку по нескольким путям.

По способности к самоприспосабливанию системы управления (СУ) делят на системы без самоприспосабливания(обыкновенные СУ) и системы самоприспосабливающиеся (адаптивные).

Адаптивные СУспособны обеспечивать выполнение задачи управления в тех случаях, когда характеристики объекта и возмущающих воздействий либо неизвестны заранее, либо существенно изменяются непредвиденным образом.

Адаптивная система выполняет две задачи – изучение объекта и управление им; поэтому такие системы также называют системами дуального управления.


Задача управления в адаптивных системах состоит в поддержании на заданном или экстремальном уровне показателя качества системы.

Показатель качества– это некоторая физическая величина, значение которой зависит от параметров системы и алгоритма управления.

Показателем качества СУ может быть время переходного процесса (быстродействие), расход ресурсов на управление объектом и другие показатели.

АдаптивныеСУ – сложные системы, и поэтому их целесообразно применять в тех случаях, когда обыкновенные СУ не в состоянии обеспечить необходимое качество управления.

В зависимости от числа управляемых величин, т.е. от того, является ли величина у скаляром или вектором, СУ принято делить на одномерныеи многомерные.

Многомерные объекты управления имеют несколько управляющих органов, для перемещения каждого из которых используется своя одномерная система управления.

Многомерные системы управления существенно сложнее одномерных систем. Однако во многих практически важных случаях задачу исследования многомерной системы удается свести к изолированному рассмотрению входящих в нее одномерных систем.

По своей структуре все многомерные системы являются многоконтурными.

По виду используемых сигналов СУ можно подразделить на непрерывныеи дискретныесистемы.

Приведенная классификация СУ не является исчерпывающей. Необходимые добавления к ней связаны с особенностями принятия управленческих решений.

управление информационный модель теория
    продолжение
--PAGE_BREAK--