7. Управление в технических системах. Задачи стабилизации и слежения.

Технические системы представляют собой материальные системы, которые решают задачи по программам, составленным человеком; сам человек при этом не является элементом таких систем.

Техническая система - это совокупность взаимосвязанных физических элементов.

В качестве связей в таких системах выступают физические взаимодействия (механические, электромагнитные, гравитационные и др.).

Примеры:

В этих примерах управление реализуется без участия человека. В этом случае говорят об автоматическом способе управления.

• Поплавковая камера карбюратора

Служит для регулировки (управления) уровнем бензина в карбюраторе. Целью является поддержания фиксированного уровня бензина.

Принцип работы системы достаточно прозрачен:

1) при уменьшении уровня бензина, поплавок, плавающий в бензине, понижается и воздействует на запорную иглу, которая открывает отверстие подачи бензина из бензобака, что и приводит к повышению уровня бензина;

2) при увеличении уровня бензина поплавок поднимается и запорная игла закрывает отверстие подачи из бензобака, что и приводит к уменьшению уровня бензина.

Такое поведение поплавка приводит в целом к стабилизации уровня бензина в поплавковой камере.

Устройством управления в нашем случае служит поплавок + запорная игла, средством «измерения» уровня — поплавок, исполнительным устройством — запорная игла.

• Терморегулятор

Печь с автоматической регулировкой температуры. Принцип регулирования температуры в камере печи основывается на том, что перекрытие щели для выходящих газов изменяет температуру в камере, увеличение щели — увеличивает. Измеряя длину плеча тяги можно менять значение желаемой температуры в камере.

• Центробежный регулятор Уатта

Это устройство было сконструировано в 1784 году для стабилизации частоты вращения вала парового двигателя.

• Банкомат. Последовательность действий:

1. банкомат запрашивает PIN код клиента

2. банкомат проверяет PIN код клиента (иногда говорят - авторизует клиента)

3. банкомат запрашивает сумма, требуемая клиентом

4. банкомат проверяет состояние счета клиента

5. если состояние счета допускает выдачу запрашиваемой суммы, то подсчитывается эта сумма денег

6. выдается эта сумма клиенту

7. состояние счета уменьшается на выданную сумму денег

8. банкомат выключается

Автоматическая система противопожарной и охранной сигнализации. В отличие от банкомата, эта система должна всегда находиться в рабочем (ждущем, следящем) состоянии и реагировать на возникновение огня или источника дыма, а также на нарушение охраняемого периметра или пространства. В связи с этим, система должна распознать эти объекты или события. Нарушение периметра или пространства, появление огня или дыма будем далее называть «событием», и управление подобными системами будем называть «событийным управлением». В этом случае имеет смысл говорить о форме реализации управления.

Задачи слежения и регулировки (стабилизации).

Под слежением понимается использование замкнутого регулятора, который принуждает состояние системы х(t) или ее выход y(t) следовать заданному переменному координирующему сигналу хk(t) или yk(t). В случае, когда координирующие сигналы изменяются лишь время от времени, являясь кусочно-постоянными, задача слежения превращается в задачу регулирования. Следящая система или регулятор выполняют свою основную функцию с минимизацией некоторого критерия качества V (интеграл квадрата ошибки, затраты энергии и т.д.).

Под регулированием будем понимать процесс поддержания или изменения по заданным условиям некоторой величины (показателя) с помощью целенаправленного воздействия — управления. С задачей регулирования тесно связана задача слежения. В этом случае задающий сигнал (условие) испытывает зависимость от времени.

К необходимости регулировки приводит изменение желаемого режима функционирования системы из-за внешних воздействий со стороны ОС или изменения свойств элементов системы и/или свойств взаимодействия элементов системы между собой.

Если основная задача управления заключается в том, чтобы выходной сигнал системы «следил» за меняющимся задающим сигналом yi= yi(t) , то такая система управления называется следящей. Если же основная задача управления заключается в том, чтобы выходной сигнал поддерживался равным или приблизительно равным постоянному задающему сигналу (уставке) yi= const, то такая система управления называется регулятором. Примером системы первого типа может служить система управления противовоздушной обороны, а второго – карбюратор, терморегулятор инкубатора.

Если регулирование происходит без непосредственного участия человека то оно называется автоматическим. При этом функции, которые выполнял человек субъект управления: наблюдение за показателями состояния ОУ, измерение показателей, определение отклонения показателей от заданного критерия, выработка регулирующего воздействия, применение регулирующего воздействия должны реализовываться специально созданным для этого устройством управления – автоматическим регулятором.

При этом на человека уже возлагаются другие функции: контроль за работоспособностью (исправностью) регулятора. Принятия управления «на себя», в случае обнаружения неисправности регулятора. Вызова наладчика для устранения обнаруженного неисправленного регулятора. Выявление неисправности. Приведение устройства в работоспособное состояние – ремонт.

В настоящее время при автоматизации регулирования производственных процессов широко используются компьютерные технологии.