Принципы организации управления

Принципы управления в основном будут излагаться на примере управления одномерным объектом - с одним входом и одним выходом. (Человек).

1. Принцип разомкнутого или программного управления.

Сущность принципа состоит в том, что управление осуществляется с помощью заданного алгоритма или программы.

Условно этот принцип управления представлен на рис. 1,на котором показаны: устройство, вырабатывающее программу или закон функционированияx(t),устройство управления (которое принято обозначать специальным знаком -кругом, разделенным на секторы), вырабатывающее совокупность управляющих воздействийu(t),объект управления, помехиz_/, выходной результату_вых.

Внекоторых случаях блок выработки закона управления и управляющее устройство совмещены.

Схема имеет вид разомкнутой цепи, в которой основное воздействие передается от входа к выходу, выполняя заданную программу (закон функционирования), что и дало название принципу.

При таком принципе управления помехи z_/ могут исказить желаемое у_вых. Тем не менее, благодаря простоте этот принцип широко используется.

По разомкнутому принципу построены устройства пуска музыкальной шкатулки, магнитофона и др. аудиоустройств, станки с программным управлением, управление конвейером.

Подобием этого принципа можно считать управление работой раба в рабовладельческом обществе на начальной ступени его развития при жестоких рабовладельцах, не учитывавших потребностей раба как человека, подавляющего его человеческое достоинство и принуждающего четко выполнять предписанную программу.

Казалось бы, можно управлять напрямую: I III IV ОУ. Но такое управление практически нереализуемо (сложно выполнить задачу управления) из-за действия возмущений, которые не дают решить задачу управления вообще или же значительно понижают точность решения задачи. Примеры: управление вслепую.

При этом принципе организации управления – низкая точность управления, т.к. отсутствует информация о состоянии элементов системы управления.

Дост-во: нет необходимости решать проблему устойчивости этой системы.

2. Принцип компенсации возмущения (принцип инвариантности)

При таком принципе используется устройство, измеряющее помехи и вырабатывающее компенсирующие воздействия, которые корректируют закон управления (рис. 2).

Устройство такого рода называют компенсирующим устройством.

Принцип компенсации: параллельно первому (естественному) каналу распространения возмущения формируют второй (искусственный) канал, содержащий датчик, УУ₂, ИМ, ОУ и формирующий дополнительный сигнал управления +U, который вызывает дополнительное перемещение x_u(t) регулируемой координаты, равное по величине и противоположное по знаку дополнительному перемещению х_f(t₁) координаты x(t), вызванному действием возмущения f₁(t): x_f(t)=-x_u(t) – условие инвариантности.

Тогда говорят, что координата x(t) инвариантна (независима) по отношению к возмущению f₁(t).

Рисунок 1

Простейшим примером такого принципа являются устройства, обеспечивающие стабилизацию напряжения при колебаниях постоянного тока. К настоящему времени в теории автоматического управления разработано много разнообразных компенсационных механизмов, в соответствии с типом которых выделяют соответствующие подклассы устройств и даже детализируют принцип компенсационного управления в соответствии с этими видами устройств.

Этот принцип используется при планировании на предприятиях: при разработке планов учитывается, что производительность труда зависит от износа оборудования, от квалификации рабочих, смены и т. п., и при расчете времени на выполнение плановых заданий вводятся соответствующие корректировки в форме коэффициентов износа оборудования, коэффициентов сменности и т. п.

Применительно к управлению обществом можно считать, что в условиях феодального строя помещик старается учитывать в какой-то мере человеческие потребности крепостного работника, чтобы избежать бунтов или снискать любовь крепостных, что обеспечивало условия для более эффективного их труда.

Недостаток: точность управления снижается из-за действия других возмущений, скомпенсировать действия которых не представляется возможным. Компенсируется лишь одно возмущение, которое можно измерить.

Достоинство: нет необходимости решать проблему устойчивости и точности. Система разомкнутая и решение проблемы устойчивости очевидное. Такая система всегда устойчива, если состоит из устойчивых элементов.

3. Принцип обратной связи (управления по отклонению)

Принцип обратной связи заключается в такой организации взаимодействия элементов в управляемой системе, при которой принятие решения осуществляется не только по информации о целях и задачах управления, но и по информации о фактическом состоянии управляемого процесса.

Принцип иллюстрируется рис. 3. Получаемые значения у_вых корректируются на основе измерения отклонений у от требуемого результата у_треб, называемого в теории автоматического управления «уставкой».

Рис. 2. САУ

Принцип обратной связи: в каждый момент времени текущее значение управляемой координаты x(t) сравнивается с заданным (программным) значением x°(t), в результате чего получается ошибка (рассогласование, отклонение) управления: (t)=x°(t)-x(t), далее УУ в функции от ошибки (t) формирует и реализует через ИМ управляющее воздействие u(t), которое изменяет положение регулирующего органа таким образом, чтобы вызвать отклонение выходной координаты x(t) объекта в сторону уменьшения ошибки (t), т.е. если (t), то x(t)=x°(t) и задача управления будет выполнена.

ОС может быть положительной и отрицательной. При ПОС увеличение y приводит к таким значениям х, которые влекут дальнейший рост y, при отрицательной – рост приводит к значениям х, вызывающим уменьшение y.

Примеры ПОС: цепные реакции, взрыв, система аварийной сигнализации. Во всех подобных случаях небольшое отклонение должно вызвать как можно более энергичную реакцию управляемого объекта.

ООС осуществляется, например, при управлении запасом товаров на складе: при возникновении существенного отклонения запаса от нормативного предпринимаются меры по устранению этого отклонения – завоз товаров, либо реализация излишка.

Принцип ОС используется при построении систем автоматического управления (САУ) техническими, технологическими, организационными и т.д. системами. На основе этого принципа функционируют и биосистемы.

По принципу обратной связи функционируют основные регуляторы организма человека (при прикосновении к горячему утюгу человек автоматически отдергивает руку и т. п.).

Примером строя, основанного на использовании стабилизирующей (отрицательной) обратной связи в управлении, является классический капитализм: обратная связь обеспечивается регулированием рынка рабочей силы, т.е. увольнением работников при перепроизводстве товаров, или, напротив, дополнительным приемом на работу при необходимости увеличить производство товаров.

Достоинство: высокая точность управления (можно добиться высокого качества управления), т.к. система автоматически парирует действие возмущений, приложенных к любой точке системы.

Недостаток: необходимость решать проблему устойчивости, согласовывать точность и качество управления. Система замкнутая и существует противоречие между высокой точностью и высоким быстродействием с одной стороны и устойчивостью системы с другой.

Примечание. Система комбинированного управления.

САУ решает три класса задач:

1) стабилизации процесса, состояния ОУ (задача регулирования): x^o(t) = Const

2) программного управления: x^o(t)=x_прогр.(t)

3) слежения за состоянием ОУ или процесса: x^o(t)= Var

Совмещение принципов обратной связи и управления с упреждением. Для совершенствования управления используют различные способы совмещения принципов управления (например, модель типа приведенной на рис. 4).

Такая модель является основой адаптации(см.).

Совмещение принципов используют и в социально-экономических системах. Поскольку реализация принципа обратной связи связана с безработицей и социальными проблемами, при развитии капиталистического строя используются компенсационные механизмы в форме социальных программ (пособие по безработице и т. п.), уменьшающих возможность кризисов.

3. Принцип управления по модели (принцип адаптации)

Адаптация – в широком смысле способность системы приспосабливаться к изменяющимся условиям среды, помехам, исходящим от среды и оказывающим влияние на систему.

Необходимость адаптации возникает, когда появляется неопределенность в управлении (известна цель, изменились параметры ОУ, изменилась структура системы, изменились ресурсы – все это неизвестно).

Модель отражает форму движения.

Принцип управления по модели: в каждый момент времени форма процесса изменения регулируемой координаты сравнивается с формой движения xM(t), задаваемой моделью, в результате чего получается ошибка адаптаций δ(t):

δ(t) = xM(t) – x(t),

далее УУ₂ в функции от ошибки δ(t) формирует управляющие воздействия, направленные на изменение либо величины задающего сигнала x^o(t) (стратегии), либо параметров (УУ₂), либо структуры управляющего устройства (тактики) УУ₁, что в свою очередь приводит к изменению формы движения координаты x(t) в сторону близости к форме движения модели xM(t), т.е. уменьшения ошибки δ(t). При δ(t) =0→x(t) = xM(t), т.е. задача адаптации выполнена.

Принцип управления по модели – одна из форм (способов) реализации принципа адаптации.

Адаптация может осуществляться 5 способами:

1. за счет изменения программы управления

2. за счет изменения параметров управляющей подсистемы (УУ)

3. за счет изменения структуры управляющей подсистемы (УУ)

4. за счет изменения мощности исполнительных подсистем (ИМ) (его характеристики)

5. за счет изменения структуры параметров самого ОУ (характеристики самого ОУ) (Пример: ЛА с изменённой геометрией крыла). В качестве УУ₁ и УУ₂ может выступать ЛПР.

Управление по модели заключается в том, что в каждый момент времени замеряется отклонение от формы движения, заданной моделью. Далее функцией от этого сигнала будет вырабатываться сигнал Q(t), направленный на реализацию одного из 5 способов адаптации.