1.2. Понятие управления

Определение управления. Прежде всего, необходимо определить первичные понятия теории автоматического управления.

Управление есть организация того или иного процесса, обеспечивающая достижение определенных целей. Появление все более сложных процессов, моделирующих, в том числе, и некоторые функции человеческого мозга, требует создания и организации работы автоматических систем, обеспечивающих достижение поставленных целей при наименьших затратах. А для этого необходима наука об общих закономерностях процессов управления, т.е. теория управления.

Общая схема системы управления показана на рис. 1.1.

Источниками информации служат различные измерители физических величин, характеризующих задачи, либо поведение объекта управления.

Рис. 1.1. Общая схема системы управления

Анализ информации в простейших случаях состоит в сравнении требуемых и фактических значений параметров состояния объекта. Рассогласование (параметр управления, сигнал ошибки) преобразуется в управляющее воздействие с учетом изменения параметров управления во времени либо в зависимости от состояния объекта с помощью функциональных преобразователей. Решение об управляющих воздействиях подается на исполнительные устройства (двигатели, источники энергии и т.д.).

Если все перечисленные операции управления осуществляются человеком, то это – ручное управление. В этом случае никаких дополнительных устройств не требуется.

Если человек освобожден от выполнения физических усилий по управлению (гидроусилитель руля, гидролокатор подводной лодки и т.п.), тогда говорят о механизированном управлении. Здесь необходимы уже исполнительный механизм и источник энергии.

В автоматизированных системах человек является звеном системы с функциями анализа информации и принятия (выбора) решения по управлению.

Наконец, автоматическим называется управление, осуществляемое без непосредственного участия человека. Здесь автоматам передаются не только энергетические, но также алгоритмические и информационные аспекты управления.

Анализ любого процесса управления показывает, что его структура

включает в себя следующие элементы:

− информацию о задачах управления (о цели управления);

− информацию о результатах управления (о поведении объекта под действием управления);

− анализ информации и выработка управляющих воздействий (решений);

− исполнение принятого решения (осуществление управляющих воздействий).

Первые два элемента отражают информационный, третий – алгоритмический, а четвертый – энергетический аспекты управления.

Построение математической модели системы управления и ее анализ или синтез предполагают абстрагирование от реальной системы (иначе задачи анализа либо синтез пришлось бы решать на «железе»). Существует несколько уровней такой абстракции.

Первым уровнем абстракции автоматической системы, необходимым для последующего ее анализа, является схема автоматической системы. Например, схема автоматической системы управления курсом судна может быть представлена в виде, представленном на рис 1.2.

Рис. 1.2. Система управления курсом судна

Здесь упрощенно изображены конкретные элементы системы: судно, привод руля, гирокомпас, руль и т.д. Отклонение от заданного курса _з передается от гирокомпаса ГК на авторулевого, который вырабатывает управляющее воздействие на привод руля. В результате судно с текущего курса  возвращается на заданный _з.

Вторым уровнем абстракции является изображение структуры автоматической системы, приведенной на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Структура системы управления курсом судна

Здесь уже указываются функции элементов: объект управления (ОУ); управляющий орган (УО), обычно входящий в объект управления; исполнительный механизм (ИМ); устройство управления (УУ); измерительный элемент (ИЭ).

Указываются также обозначения основных переменных системы управления: g – закон управления, y – управляемая переменная (выход объекта и системы); u – управляющее воздействие (информационная компонента);  - управляющее воздействие (энергетическая компонента);  – отклонение управляемой переменной от заданного значения; f – возмущающее воздействие среды.

Третьим уровнем абстракции является совокупность математических моделей элементов и изображение функциональной схемы системы в некотором базисе (наборе) математических моделей, позволяющем получить общий вид описания системы.

Объект управления. Любая задача управления состоит в управлении некоторым объектом, являющимся средством достижения цели. Поэтому решение задачи создания системы управления объектом предполагает рассмотрение объекта управления. Он может быть как техническим устройством, так и более простой системой управления.

В качестве объекта управления (ОУ) могут рассматриваться силовые управляемые технические устройства (электрический двигатель, генератор, ...), либо сложные технические системы (самолет, прокатный стан и т.д.), либо системы управления низшего уровня.

В общем случае ОУ может быть представлен схемой, приведенной на рис.1.4.

Рис. 1.4. Обобщенная схема объекта управления

Состояние объекта определяется рядом параметров, характеризующих протекание процессов внутри объекта (возмущения – нагрузки, помехи), а также внешнее воздействие на него устройств управления и окружающей среды. Некоторые из этих параметров являются неконтролируемыми (неуправляемыми), другие – контролируемыми (управляемыми). Эти параметры показаны на рис. 1.4, где F = (f₁,f₂,…f_k) – вектор неконтролируемых возмущений, U = (u₁,u₂,…u_s) – вектор управляющих воздействий, определяемых отклонением поведения объекта от заданного, X = (x₁, x₂,…,x_n) – вектор состояния объекта управления, а Y = (y₁,y₂,…y_m) – вектор управляемых величин.

Если объект характеризуется одной управляющей и одной управляемой величинами, т.е. векторы U и Y имеют по одной координате, то объект называется простым или односвязным (скалярным). При наличии нескольких взаимосвязанных координат векторов U и Y объект называется многосвязным.

По известному математическому описанию объекта можно получить систему уравнений, связывающую управляющие величины со всеми внешними воздействиями на объект. При известных начальных условиях эта система уравнений дает возможность найти векторы состояния X и управляемых величин Y по внешним воздействиям U, G и F.

Каждый объект может рассматриваться в условиях статики (внешние неуправляемое воздействие F и управляющее воздействие U не зависят от времени, при этом Y = ₁{U, F}) или динамики (Y = Y(t), U = U(t), F = F(t), при этом Y = {U, F}, где  − нелинейный оператор).

Используя аппарат векторно-матричного исчисления, в дальнейшем будем указывать все вектора в Евклидовом пространстве следующим образом: , , , , т.е. число компонент каждого вектора, соответственно s, l, m, n.