ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 0

«Основные понятия и определения теории управления. Примеры систем управления. Изучение функциональных возможностей системы Matlab и среды Simulink»

I. Теоретическая часть

1.1 Основные понятия и определения теории управления

Окружающий нас мир представляет собой совокупность взаимосвязанных социальных, экономических, биологических и иных систем, процесс функционирования каждой их которых включает получение информации и её анализ, принятие решений и их исполнение

Управление - это целенаправленное воздействие на технические устройства, производственные, экономические и социальные процессы в интересах общества.

Для конкретизации данного определения необходимо вести понятие объекта управлении.

Объектом управления может быть любая динамическая система, у которой характеристики и значения величин, определяющих состояние объекта, изменяются во времени под влиянием внешних сил. Можно использовать более короткое определение.

Объект управления – это устройство или процесс, подлежащий управлению. Функционирование любой системы определяется достижением некоторой цели. Исходя из введённых понятий мы можем конкретизировать понятие управления.

Управление – это направленное воздействие на объект, обеспечивающее его функционирование в соответствии с заданной целью управления.

Система управления – это соединение элементов в структуру, обладающую заданными свойствами.

Для управления разными системами разработана теория управления, которая создает единую базу для решения задач управления объектами различной физической природы. На современном этапе развития она применяется к социальным, экономическим, социологическим и экологическим объектам.

Современная теория управления имеет дело с системами, которые обладают качествами самоорганизации, приспосабливаемости, обучаемости и оптимальности.

Создание любой системы управления основано на общих принципах. В общем случае любая система управления представлена двумя функциональными элементами: объектом управления ОУ и управляющим устройством УУ.

Дадим определения ОУ и УУ с технической точки зрения.

Объект управления – это совокупность технических средств (машин, орудий труда и т.д.), выполняющих данный процесс (некоторую рабочую операцию).

Управляющее устройство- это совокупность технических средств, формирующих процесс управления.

Состояние объекта управления определяется рядом величин, характеризующих протекание процессов внутри объекта управления, а также влияние внешней среды на ОУ.

Величины, выражающие влияние внешних сил на объект управления, называются воздействиями.

Воздействия, вырабатываемые управляющим устройством, называются управляющими.

Неконтролируемые воздействия среды (независящие от управляющего устройства) называются возмущениями. Возмущения можно подразделить на два вида: нагрузка и помехи (нагрузка связана с работой самого объекта, помеха- с побочными явлениями в процессе работы объекта).

Воздействие, которое определяет цель управления, называется задающим.

Величины, по которым ведётся управление, называются управляемыми или регулируемыми.

Управляющее устройство перерабатывает информационные сигналы по определённому алгоритму (правилу) и формирует на выходе управляющее воздействие, которое передаётся на объект управления.

Алгоритм преобразования информационных сигналов в управляющие называется законом управления.

Рассмотрим основные функциональные элементы управляющего устройства:

ЧУ (ЧЭ) – чувствительные устройства (элементы) служат для измерения информационных сигналов.

ВУ – вычислительное устройство служит для реализации алгоритма работы управляющего устройства, перерабатывает входную информацию (операция сравнения, интегрирования, дифференцирования и т.д.).

ИУ – исполнительные устройства предназначены для непосредственного управления объектом управления, т.е. для изменения его состояния в соответствии с управляющим сигналом.

Т.о., совокупность объекта управления и управляющего устройства образует систему управления.

Система управления, в которой все рабочие и управляющие операции выполняются автоматическими устройствами (без участия человека), называется автоматической.

Система управления, в которой часть операций выполняется человеком - оператором, называется автоматизированной.

Под автоматическим управлением понимается автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определённой информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.

Разработка общих принципов создания управляющих устройств (несмотря на разнообразие процессов в объектах управления и целей управления) достигается формальной общностью математического описания объекта управления и цели управления.

Числовые величины, связанные с системой делят на параметры (величины, которые можно считать постоянными на промежутке рассмотрения) и переменные (все остальные).

Значения параметров и переменных определяют количественную информацию о системе, качественную информацию определяет структура системы.

Типичные классы технических задач:

• управление движением механических объектов;

Управляемыми величинами являются процессы изменения координат и скоростей. Управляющими воздействиями являются внешние силы. Цель управления формируется через желаемые значения координат и скоростей в определённый момент времени или на определённых участках траектории движения.

• управление электротехническими объектами;

Управляемыми величинами являются процессы изменения тока, напряжения. Управляющими воздействиями ЭДС. Цель управления - достижение максимальной мощности на отдельных элементах.

• управление теплотехническими объектами;

Управляемыми величинами являются процессы изменения температуры в различных точках объекта. Цель управления – поддержание желаемого распределения температуры.

• управление химическими или биологическими объектами;

Управляемыми величинами являются процессы изменения концентрации, химического состава вещества. Цель управления – желаемое количество продукта, постоянство физико-химического состава вещества и др.

В последние годы значительно повысился интерес к управлению товарно-материальными запасами и их складированием, к автоматизации управления сельскохозяйственным производством (фермами). 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, в биомедицине, в диагностике и протезировании. В организме человека иерархия систем управления простирается от клеточного уровня до центральной нервной системы и включает в себя регуляцию температуры, сердечно-сосудистой деятельности и дыхательного ритма.