Методическое пособие 703

Таблица 1.2 Трудность задач для человека и автомата

Еще одной практически важной задачей является управление современным автомобилем. Уже разработаны и внедряются системы управления подвеской, рулевым механизмом и двигателем. Новые автомобили оснащаются также системами привода на все четыре колеса и системами, препятствующими заносу.

Рис. 1.27. Трехкоординатная система управления для контроля полупроводниковых пластин

51

На рис. 1.27 изображена трехкоординатная система управления для контроля отдельных полупроводниковых пластин. Для перемещения элементов установки в заданное положение по всем трем осям используются соответственно три электродвигателя. Система предназначена для обеспечения плавного и точного перемещения по каждой оси. Она выполняет очень ответственные функции в производстве полупроводниковых приборов.

Не так давно разгорелась серьезная дискуссия по поводу разрыва между теорией и практикой управления. Совершенно естественно, однако, что во многих областях деятельности теория опережает ее практические применения. Тем не менее, интересно, что в электроэнергетике — крупнейшей отрасли США — этот разрыв не столь значителен. Эта отрасль главным образом связана с преобразованием, контролем и распределением энергии. Поэтому естественно, что для повышения эффективности использования энергетических ресурсов всё шире внедряются компьютерные системы управления. Кроме того, особую важность приобретает задача управления электростанциями с целью уменьшения выбросов в окружающую среду. В современных крупных электростанциях, мощность которых превышает сотни мегаватт, системы автоматического управления крайне необходимы для поддержания такого соотношения между отдельными переменными, при котором оптимизируется процесс производства энергии. Обычно скоординированное управление производится более чем 90 переменными. На рис. 1.28 показана упрощенная схема системы управления важнейшими переменными крупного парогенератора.

52

Рис. 1.28. Скоординированная система управления режимом парогенератора

Этот пример показывает важность измерения многих переменных, таких как давление и содержание кислорода, что дает компьютеру информацию для вычисления управляющих воздействий. По оценочным данным, в США функционируют более 400000 цифровых систем управления.

На рис. 1.29 приведена блок-схема цифровой системы управления, в которой роль управляющего устройства выполняет компьютер.

Рис. 1.29. Цифровая система управления

53

Именно в электроэнергетике находят практическое применение все новейшие достижения в технике управления. По-видимому, основным фактором, обусловливающим разрыв между теорией и практикой управления, является отсутствие достаточно надежных средств измерения всех существенных для процесса управления переменных, включая качество и состав производимой продукции. По мере появления этих средств значительно возрастает и применение в промышленности современных систем управления.

Другой важной отраслью, где достигнут значительный успех в автоматизации производства, является металлургическая промышленность. Здесь во многих случаях решение прикладных задач опережает теорию. Например, на стане горячей прокатки стального листа одновременно осуществляется управление температурой, шириной, толщиной и качеством листа.

Быстрый рост стоимости энергии и угроза сокращения ее потребления заставляют предпринимать новые усилия по эффективному автоматическому управлению энергетическим комплексом. С помощью компьютеров удается регулировать использование энергии в промышленности, а также стабилизировать и равномерно распределять нагрузку в целях экономии топлива.

В последние годы значительно повысился интерес к применению принципа обратной связи к управлению товарноматериальными запасами и их складированием. Растет также интерес к автоматизации управления сельскохозяйственным производством (фермами). Разработаны и прошли испытания автоматически управляемые силосные башни и тракторы. Важное значение имеют современные системы автоматического управления ветряными электрогенераторами, солнечными установками нагревания и охлаждения, автомобильными двигателями.

Теория систем управления имеет много практических приложений в биологии и биомедицине, в диагностике и

54

протезировании. В организме человека иерархия систем управления простирается от клеточного уровня до центральной нервной системы и включает в себя регуляцию температуры, сердечнососудистой деятельности и дыхательного ритма. Большинство физиологических систем управления являются замкнутыми, но в то же время внутри каждого контура можно обнаружить цепь вложенных контуров. Таким образом, моделирование биологических процессов приводит к построению систем высокого порядка и достаточно сложной структуры. В США устройства протезирования помогают миллионам инвалидов преодолеть их физические недостатки. На рис. 1.30 показана искусственная рука, использующая обратную связь по усилию, которая управляется биоэлектрическими (электромиографическими) сигналами, направленными к ампутированной конечности.

Рис. 1.30. Робот типа «Искусственная рука»

Является совместной разработкой Центра технического конструирования Университета штата Юта и Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического

55

института. Рука имеет 18 степеней свободы, управляется пятью микропроцессорами Motorola 6800, приводится в действие 36- ю прецизионными электропневматическими исполнительными механизмами через особо прочные полимерные сухожилия. Рука имеет 4 пальца и оснащена тактильными датчиками усилия

Наконец, большой интерес представляют попытки построения моделей процессов с обратной связью, имеющих место в социальной, экономической и политической сферах. Эти методы разработаны пока недостаточно, но, скорее всего, будут востребованы в ближайшие годы. Любая общественная формация состоит из множества систем с обратной связью и органов управления, руководящих движением общества в желаемом направлении. На рис. 1.31 изображена обобщенная модель системы управления статьей дохода национального бюджета.

Рис. 1.31. Система управления статьей дохода национального бюджета в виде модели с обратной связью

.

Подобная модель помогает аналитику лучше понять роль правительства в управлении экономикой и динамику государственных расходов. Конечно, существуют и другие контуры, не показанные на схеме, хотя бы потому, что

56

государственные расходы теоретически не могут превышать собранные налоги из-за опасности создания дефицита. В социалистическом государстве контур, включающий в себя потребителей, имеет меньшее значение, а основная роль принадлежит правительственному управлению. При этом блок «измерение» должен точно и быстро отслеживать все изменения поступлений, однако в бюрократической системе это сделать чрезвычайно трудно. Подобная модель политической или социальной системы, хотя и является не очень строгой, но дает достаточно информации для понимания протекающих процессов.

Системы управления с обратной связью широко применяются в промышленности. На рис. 1.32 показан лабораторный робот. В настоящее время в промышленных и лабораторных условиях используются тысячи роботов. Роботыманипуляторы способны поднимать предметы весом в сотни килограмм и перемещать их с точностью до миллиметра.

Рис. 1.32. Лабораторный робот для работы с медицинскими препаратами. Он манипулирует небольшими предметами, такими как бюретки, и с высокой скоростью помещает их в узкие сосуды и вынимает оттуда

57

Управление скоростью вращения диска. Во многих современных приборах используется диск, который должен вращаться с постоянной скоростью. Это, например, проигрыватель компакт-дисков или грампластинок, дисковод компьютера, требующие вращения с постоянной скоростью, несмотря на износ и изменение характеристик электродвигателя и вариацию других параметров. На рис. 1.33 представлены: разомкнутая система управления скоростью вращения диска (а) и функциональная схема системы (б).

Задача состоит в синтезе системы управления скоростью вращения диска, которая гарантировала бы, что действительная скорость отличается от желаемой не более, чем на заданную величину. Мы рассмотрим два варианта решения этой задачи: разомкнутая система и система с обратной связью.

Чтобы обеспечить вращение диска, мы должны в качестве исполнительного устройства выбрать электродвигатель постоянного тока, скорость вращения которого пропорциональна приложенному напряжению. Этот входной сигнал двигателя должен иметь достаточную мощность, поэтому нам также потребуется выбрать усилитель.

Рис. 1.33. (а) Разомкнутая система управления скоростью вращения диска; (б) Функциональная схема системы

58

Разомкнутая система (без использования обратной связи) изображена а рис. 1.33, а. В этой системе для задания напряжения, пропорционального желаемой скорости, использована батарея. Затем это напряжение усиливается и подается на двигатель. Функциональная схема данной системы изображена на рис. 1.33,б.

Чтобы реализовать систему с обратной связью, нам необходимо выбрать датчик. Одним из возможных решений является тахогенератор, выходное напряжение которого пропорционально скорости вращения его вала. Тогда замкнутая система будет иметь вид, изображенный на рис. 1.34, а. Функциональная схема этой системы приведена на рис. 1.34 (б). Сигнал ошибки образуется как разность между входным напряжением и напряжением тахогенератора.

Рис. 1.34. (а) Замкнутая система управления скоростью вращения диска; (б) Функциональная схема системы

Можно ожидать, что замкнутая система по своим характеристикам будет превосходить разомкнутую, т. к. она

59

всегда будет стремиться свести ошибку к минимуму. Если элементы системы обладают стабильными характеристиками, то в замкнутой системе можно добиться точности поддержания заданного значения скорости, в 100 раз превышающей аналогичный показатель разомкнутой системы.

Дисковод компьютера. Информация обычно легко накапливается на магнитных дисках. Составной частью портативных и более крупных компьютеров различных модификаций являются дисководы. В1996 г. во всём мире согласно оценке было продано порядка 100 млн дисководов. Схематическое изображение дисковода представлено на рис. 1.35. Целью системы управления является позиционирование считывающей головки на определенной дорожке диска. Переменная, которой нужно управлять с высокой точностью),

— это положение считывающей головки, закрепленной на конце рычага. Диск вращается со скоростью

Рис. 1.35. Схема дисковода

от 1800 до 7200 об/мин, а головка плавает над диском на расстоянии менее 100 нм. Исходное требование к точности позиционирования) составляет 1 мкм. Перемещение от

60