Вопрос 1. Структура систем управления .
Функционирование любой системы можно представить вектор–функцией состояний S(t), значения которой в моменты времени t0, t1,…tn определяют состояния системы S(t0), S(t1),…S(tn). Каждое состояние характеризуется множеством величин, описывающих влияние внешней среды и процессов, протекающих в системе. Процесс управления в этом случае можно представить следующим образом (рис.1.1):
Рис.1.1. Процесс управления
Управляющие воздействия на объект управления (вектор Х), вырабатываемые устройствами управления, зависят от цели управления, имеющихся в системе ресурсов, состояния объекта в данный момент времени и воздействий внешней среды на объект управления. Воздействия внешней среды можно разделить на два вектора: контролируемые (вектор Z) и неконтролируемые (вектор F). Контролируемые воздействия внешней среды принимаются во внимание при принятии решений, неконтролируемые воздействия могут привести к неожиданным (не запланированным) изменениям состояния объекта.
Процесс управления представляет собой совокупность трёх процессов: оценка состояния объекта управления и контролируемых воздействий окружающей среды, принятие решений, обусловленных целью управления, возможностями системы управления (ресурсами) и состоянием объекта и внешней среды, и формирование внешних воздействий на объект. Для выполнения этих функций система управления должна содержать датчики, контролирующие состояние объекта и внешней среды, и устройства сбора и обработки сигналов от датчиков. При принятии решения о воздействии на объект необходимо знать реакцию объекта на те или другие воздействия.
Управляющая система совместно с объектом управления образует систему управления. Системы, в которых человек не принимает участие, называются системами автоматического управления (САУ). Если человек активно участвует в принятии решения, то такую систему называют автоматизированной системой управления (АСУ).
В зависимости от функционального назначения системы управления можно разделить на:
системы стабилизации управляющей величины, когда требуется с заданной точностью поддерживать постоянными те или иные характеристики объекта;
системы программного управления, в которых некоторые характеристики объекта управления должны изменяться по определённому закону;
следящие системы – воздействие на систему должно соответствовать изменению некоего контролируемого параметра.
Наиболее совершенными и наиболее сложными являются адаптивные системы, в которых управляющие воздействия или алгоритмы управления автоматически и целенаправленно изменяются для оптимизации процесса управления. При этом реакция объекта управления на внешние воздействия как F, так и Z, а также и на воздействия вектора Х заранее неизвестны.
Таким образом, управляющая система должна постоянно решать следующее уравнение:
X(t)=Ф(Z, F, Y, t),
где Z, F – векторы воздействий окружающей среды;
Y – вектор контролируемых параметров объекта управления;
Ф – закон управления.
Управляющие системы, по сравнению с информационными, как правило, имеют более сложные алгоритмы управления и более жёсткие ограничения во времени решения задач управления, что обусловлено высокой скоростью изменения возмущений, действующих на объект управления.
При управлении сложными объектами приходится решать задачи с использованием больших объёмов информации. При этом, естественно, возникает задача сбора, обработки, хранения и поиска необходимой информации. В этом случае информационная система может входить как составная часть в АСУ. Такие системы называют информационно-управляющими.
Важнейшими показателями управляющих систем, характеризующими любой процесс управления, являются:
– количество контролируемых параметров, к которым относятся векторы параметров входных воздействий X(t), и Z(t) и вектор контролируемых параметров объекта управления Y(t), а также некоторые параметры объекта управления, не изменяющиеся в процессе управления или редко изменяющиеся и вводимые в систему управления как константы. С ростом числа контролируемых параметров объекта или увеличение числа контролируемых воздействий внешней среды.
– зависимость регулируемых величин от входных воздействий. Характер и математическая формулировка этой зависимости определяет сложность алгоритмов и программ этого управления. В некоторых случаях эта зависимость описывается системой дифференциальных уравнений с нелинейными параметрами, в других – набором функций алгебры логики, описывающих алгоритм управления объектами;
– динамические характеристики системы управления. Динамические характеристики системы определяются скоростью изменения воздействий на неё. Пусть ti и ti+1 моменты времени, в которые произошли возмущения системы Zi и Zi+1. Для реакции на них система должна выработать вектор управляющих воздействий Xi+1, который изменит состояние объекта, при этом изменится вектор контролируемых параметров объекта Yi+1. За время ti+1 –ti система должна обработать необходимую информацию, принять решение (возможно и с привлечением человека), выдать управляющие воздействия на объект, и при этом к моменту времени ti+1 процесс изменения состояния объекта должен быть закончен. Отсюда следует, что сумма времён принятия решения tпр и реакции системы на управляющие воздействия должна быть меньше разности (ti+1 –ti). Отсюда время реализации алгоритма обработки информации и принятия решения tра t – tр. Из этого несложного рассуждения следует, что основным параметром, определяющим скорость всех процессов в системе управления, является величина времени реакции системы tр, определяющая время переходных процессов в объекте управления (для самолётов – доли секунды, для поездов – десятки секунд, для предприятия – несколько суток). Этот анализ позволяет обосновать способ принятия решения (автоматический или автоматизированный).
Особенностями системы управления, работающей в режиме реального времени являются:
а) чрезвычайно малое время, отведённое для принятия решений, соизмеримое со временем переходных процессов в системе;
б) сложность алгоритмов решения задач управления и практически немедленное использование результатов решений;
в) недопустимость, как преждевременной выдачи управляющих сигналов, так и их запаздывания;
– точность управления. Под точностью управления в данном случае понимается степень отклонения фактических параметров управляемого объекта от расчётных и своевременность выдачи управляющих воздействий на объект;
– распределённость системы в пространстве: вся система управления может находиться в одном месте, отдельные её части могут находиться на значительных расстояниях и даже на подвижных объектах (локомотивах, самолётах и т.д.);
– надёжность и безопасность системы. Эти показатели особенно актуальны для систем управления железнодорожным транспортом.