8 Моделирование процесса управления
8.1 Основные определения
Строгий подход к термину «управление» требует четкого ответа на вопрос, как и за счет чего может быть выполнена цель управления.
Управление - целенаправленное вмешательство в поведение системы, обеспечивающее требуемое ее функционирование, цель управления определяется субъективным представлением лица, ответственного за выбор цели системы.
Рассмотрим основные определения системы с управлением на примере функциональной схемы технологического процесса (закаливания детали в печи).
x(t)
y(t) ε (t) u (t)
Реальный
процесс изменения
температуры
Объект управления – электропечь.
Цель управления – создание условий, обеспечивающих требуемое протекание процесса: изменение температуры в печи по заданному закону.
Для этого печь имеет два элемента: измерительный элемент (термодатчик, выходом которого является электрическое напряжение, пропорциональное температуре в печи) и орган управления (реостат, с помощью которого меняется сопротивление и соответственно ток в цепи нагрева, а значит и температура нагрева).
Измерительный элемент (прибор) отражает реальный процесс (реальную температуру).
Оператор (управляющее устройство), которому известен закон изменения температуры, с помощью органа управления (реостата) управляет процессом (изменяет температуру) таким образом, чтобы в каждый момент времени реальный процесс отличался от заданного закона не более наперед заданной величины. Имеет место обратная связь.
Чтобы управлять, необходимо определить:
- чем мы распоряжаемся (управляющие воздействия);
- пределы, в которых мы можем выбирать;
- каково влияние данного управления на процесс.
Задачи управления: в условиях возмущающих воздействий поддержание или изменение состояния системы, процесса путем изменения тех или иных параметров, организация поведения.
Действия системы управления в обеспечение решения задач управления: сравнение при помощи обратной связи действительного состояния объекта с требуемым и использование получаемых сигналов для управления.
Основные функции системы управления: измерение состояния, сравнение с заданным состоянием, реагирование (выработка команды на управление).
Система управления – совокупность технических средств, обеспечивающих выполнение управляемой системой своих функций в достижении заданной цели.
Элементы системы управления:
- датчики информации о воздействии внешней среды;
- датчики информации о состоянии управляемого объекта;
- средства передачи информации;
- средства обработки информации и выработки управляющих сигналов;
- исполнительные органы, реализующие управляющие сигналы.
В качестве управляемой системы может фигурировать отдельное хозяйство, завод, двигатель, атомный реактор и т.п.
Суть теории управления: на основе системного анализа составляется математическая модель объекта управления, после чего синтезируется алгоритм управления для получения желаемых характеристик протекания процесса или целей управления.
Насколько точно управляемая система достигает заданной цели, можно судить по координате состояния системы z (t). Разность между заданным zз (t) и действительным законом изменения управляемой величины z (t) – ошибка управления ε (t) = zз (t) - z (t). Для идеальной системы управления ошибки управления ε (t) равны нулю во все моменты времени.
На практике осуществление идеальных систем управления невозможно: ошибка ε (t) – необходимая составная часть управления, основанного на принципе обратной связи, так как для приведения в соответствие выходной величины z (t) ее заданному (желаемому) значению используется информация об отклонении между ними.
Элементы системы управления связаны между собой информационными каналами, линиями управления, по которым передаются управляющие сигналы.
Отличительная черта системы управления – обратная связь, которая замыкает канал управления. При управлении с обратной связью значение управляющей переменной постоянно сопоставляется с ее заданным значением. Цель управления – сделать эти величины близкими, несмотря на различные помехи.
Для систем с обратной связью характерно следующее:
- слабые управляющие сигналы на входе, идущие от измерительного устройства, преобразуются в достаточно мощные воздействия на объект;
- ошибка ε (t) является движущим сигналом для системы, работающей на уменьшение этой ошибки;
- система является замкнутой, замыкание реализуется через измерительное устройство, формирующее отклонение (рассогласование) ошибки как входа усилительного устройства, и тем самым реализующего процесс управления.
Контур управления – это система, состоящая из объекта управления и управляющей системы (регулятора, с помощью которого добиваются нужного качества управления).
Основные функции контура управления – измерение, сравнение и реагирование (выработка команды управления и (t) на объект). Контур управления, несмотря на различные помехи, постоянно поддерживает управляемую переменную близкой к ее заданному значению.
Сигнал – физический процесс, параметры которого содержат информацию. Электрическое напряжение – сигнал, величина напряжения – параметр.
Ц
еленаправленно
изменять какой-либо процесс (управлять)
можно путем изменения тех или иных
конструктивных параметров системы.
Схема системы с управлением
z(t) – координата состояния;
у(t) – задающее воздействие;
r(t) - возмущающее воздействие;
ε(t) - сигнал ошибки;
u(t) – управляющее воздействие.
Управляющее воздействие u(t), вырабатываемое управляющей системой, является функцией ошибки ε(t) – разности между у(t) и z(t). Функция u(t) формируется так, чтобы осуществлялось приближенное равенство ошибки ε(t) ≃0. В реальной системе, кроме задающего воздействия, которое несет информацию, необходимую для управления, действуют возмущающие воздействия r(t), которые нарушают требуемую функциональную связь между задающим воздействием и законом изменения выходной координаты. В общем случае управление может производиться по нескольким координатам.
Схема системы с управлением по нескольким координатам.
Классы систем управления определяются природой объекта и субъекта управления: технические, биологические, организационные, смешанные и т.п.
Технические системы управления без участия человека (автоматические системы управления) или с участием человека (человек является одной из необходимых компонент системы управления, объект управления - техническая система). К техническим системам можно также отнести системы, в которых объектом управления является человек (тренажеры).
Биотехнические системы управления: объектом управления может быть биологический объект (орган, организм, популяция, биологическая среда), а управляющей системой – система искусственного происхождения (биостимулятор сердца, система регулирования влажности почвы).
Организационные системы управления предполагают управление деятельностью людей. Здесь объектом и субъектом управления являются люди. Структура системы управления обычно имеет иерархический характер, определяющее значение имеют социальные факторы.
Принципами управления могут быть: по следствиям или по причинам (в системах автоматического регулирования – по отклонениям или по возмущениям), прогнозирующий принцип – без использования текущей информации, комбинированный.
Чтобы эффективно управлять системой, необходимо:
- объект управления и систему управления рассматривать как единую систему, функционирующую в определенной среде;
- анализировать закономерности поведения системы в различных условиях и реакции системы на управляющие воздействия;
- оценивать качество управления системой (достижения поставленной цели) в соответствии выбранным критерием.
Для выработки управляющего воздействия – управления (сигнала, команды, решения) необходимо:
- анализ и сравнение в центральном органе управления (человек, АСУ) информации о состоянии внешней среды и системы с требуемым (или желаемым) состоянием системы во внешней среде – определение рассогласования;
- выработка управления по принципу обратной связи для приведения системы в требуемое состояние.
Источником, формирующим управляющие команды, могут быть:
- технические средства (управляющие и другие ЭВМ, микропроцессоры, программные устройства, регуляторы следящие, стабилизирующие, компенсирующие и др.);
- действия и решения человека (оператора, водителя, диспетчера, администратора и др.).
Одновременное использование этих источников управления – автоматизированные системы управления (например, пилот и системы управления в самолете), реализующие оптимальное распределение функций человека и ЭВМ.