Кибернетика
Кибернетика — наука об общих закономерностях процессов управления—основывается на изучении объектов управления при внешних воздействиях, получении информации о протекании процессов в этих объектах и выработке управляющих воздействий, обеспечивающих оптимальное в определенном заданном смысле состояние объектов.
Объектами управления могут быть: живые организмы (животные, растения), коллективы людей, производственные предприятия, заводы, цехи, отдельные станки, машины. В зависимости от объекта и задачи управления системы управления могут быть различными -от самых простых систем автоматического регулирования, поддерживающих неизменной какую-либо величину (например, напряжение, температуру или давление), до сложных, содержащих десятки вычислительных машин, решающих задачи оптимального управления множеством объектов.
В настоящем курсе в качестве объектов управления рассматриваются технические устройства и в первую очередь наиболее простые. Наука об управлении техническими системами называется технической кибернетикой.
Разделами технической кибернетики являются теория информационных устройств, связанная со сбором и переработкой информации, необходимой для управления системой человеком, и теория автоматического управления, связанная с управлением системой без непосредственного участия человека.
Проблема исследования функционирования человека в системе управления техническими устройствами представляет собой самостоятельный раздел технической кибернетики, известный под названием «Человек и автомат».
Основные понятия тау
В основу теории автоматического управления положена теория автоматического регулирования, которая сформировалась в самостоятельную научную дисциплину только к 1940 г. Регулирование представляет собой разновидность управления.
Автоматическим регулированием называется поддержание постоянной или изменение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс, осуществляемое при помощи измерения состояния объекта или действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта.
Управление охватывает больший круг задач. Под автоматическим управлением понимается 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.
Сравнивая определения управления и регулирования, можно заметить, что задачи регулирования входят в состав задач управления. Кроме того, задачи автоматического управления охватывают такие вопросы, как адаптация, или самонастройка системы управления, в соответствии с изменением параметров объекта или внешних воздействий, вопросы формирования оптимальных управляющих воздействий, автоматического выбора наилучших режимов из нескольких возможных и другие, не входящие в круг задач автоматического регулирования.
В начале курса термины «регулирование» и «управление» часто применяются как синонимы, однако в последней части различие между ними проявляется с полной определенностью.
Объект управления – техническое устройство (часть окружающего мира) или процесс, поведение которого нас не устраивает по каким-либо причинам.
Управление – процесс воздействия на объект управления с целью изменения его поведения нужным образом.
Регулирование – частный случай управления, целью которого является приведение объекта к заданному состоянию.
Автоматический процесс – процесс, который совершается без участия человека.
Система – совокупность элементов, объединенных общим режимом функционирования. При этом элементом можно называть любое техническое устройство.
Динамическая система – система, процессы в которой изменяются с течением времени в силу собственных свойств.
Система автоматического управления (САУ) – динамическая система, которая работает без участия человека.
Теория автоматического управления (ТАУ) – научно-техническая дисциплина, в рамках которой изучаются свойства систем автоматического управления, разрабатываются принципы расчета и построения таких систем.
Основными элементами САУ (рис.1.1) являются:
объект управления (ОУ);
управляющее устройство или регулятор (Р), который сравнивает выход управляемого объекта с желаемым и в зависимости от результата вырабатывает управляющий сигнал на объект.
|
Рисунок 1.1.1 – Функциональная схема замкнутой системы |
Рассмотрим подробнее объект управления (рис. 1.1.2) и выделим характеризующие его переменные.
Рисунок 1.1.2 – Функциональная схема объекта управления
К таким переменным относятся:
управляющие
воздействия
– это такие переменные, с помощью
которых можно влиять на поведение
объекта;
выходные
переменные
–
доступные измерению величины, которые
отражают реакцию объекта на управляющие
воздействия;
переменные
состояния
–
внутренние и часто недоступные измерению
переменные, которые определяют состояние
объекта в каждый момент времени, причем
;
возмущающие
воздействия
– отражают случайные воздействия
окружающей среды на объект управления
и обычно недоступны измерению. Требование
парирования их влияния приводит к
необходимости создания систем
автоматического управления.
Все переменные, которые характеризуют объект, удобно представить в векторной форме:
Входные воздействия на систему (или задание на регулятор) будем обозначать буквой v. Их число обычно совпадает с числом выходных переменных и изображается следующим вектором:
В
дальнейшем для указания соответствующих
векторных величин будем использовать
обозначения:
,
,
,
,
;
–
m-мерное
вещественное линейное пространство.
В зависимости от числа входных и выходных переменных выделяют:
одноканальные
объекты
(или системы) – объекты, в которых есть
только одна выходная переменная (
);
многоканальные
(многосвязные,
многомерные, взаимосвязанные) объекты
(или системы) – объекты, в которых число
выходных переменных больше единицы
(
).