Обобщенная структурная схема содержит:
Объект управления, имеющий регулируемый (контролируемый) параметр У(t). Автопилот управляет самолетом по курсу, тангажу и крену. Цена товара должна соответствовать не желаниям производителя, а цене за которую этот товар может приобрести потребитель.
На объект воздействуют внешние возмущения f(t). На самолет – нисходящие или восходящие потоки, боковой ветер и т.д. На производителя – конкуренты (проводят свою политику), поставщики сырья (проводят свою ценовую политику), потребители продукции (включая изменение их потребностей и возможностей) и даже изменения законодательной базы. Экономический кризис на всех его стадиях может привести к катастрофическим последствиям, если не предпринимать оперативные, эффективные меры и не иметь запас устойчивости.
X(t) - желаемое значение контролируемого параметра. В результате сравнения желаемого X(t) состояния с фактическим У(t) в сравнивающем устройстве определяется величина ошибки регулирования e(t)=X(t)-У(t). Регулятор реализует алгоритм управления, вычисляет управляющее воздействие r(t) для приведения системы к желаемому состоянию. (Исполнительный механизма входит состав объекта). Задача системы, чтобы величина У(t) соответствовала X(t) или ошибка e(t) стремилась к нулю.
Главная обратная связь (ГОС) - обратное воздействие результатов процесса на его протекание или управляемого процесса на управляющий орган. Различают положительную и отрицательную обратные связи. Отрицательная обратная связь стабилизирует протекание процессов. Положительная обратная связь приводит к ускоренному развитию процессов. В сложных системах обратную связь рассматривают как передачу информации о протекании процесса, на основании которой вырабатывается управляющее воздействие (управленческое решение).
Классификация систем по цели управления
Системы, уменьшающие влияние возмущающих воздействий:
Системы стабилизации, X(t)=const.
Системы программного управление, X(t) известная функция.
Следящие системы, X(t) неизвестна (могут быть определены максимальное и минимальное значение, максимальная скорость изменения).
Экстремальные системы, управление связано с поиском максимума или минимума У(t):
Максимальная производительность, скорость, безопасность и т.д.
Минимальная потребляемая энергия, минимум материальных затрат, минимум отходов . . .
Приспосабливающиеся системы, способные изменять свои свойства:
Самонастраивающиеся – способны изменять свои параметры;
Самоорганизующиеся – способны изменять структуру системы.
Типовые звенья
Процесс управления определяется динамическими свойствами системы, а они (свойства) зависят от динамических свойств ее элементов и от их связяй.
Реальные элементы, имеющие различную физическую основу (электрические, пневматические, гидравлические, . . .), имеющие различное конструктивное исполнение (или структурное оформление по различным нормативным документам), различные по функции заменяют типовыми звеньями, обладающими одинаковыми динамическими свойствами.
Для определения динамических свойств типового элементарного звена рассматривают переходный процесс изменения выходной величины, возникающий при единичном скачкообразном (ступенчатом) изменении входной величины.
По реакции на ступенчатый входной сигнал (воздействие) различаю пять типов звеньев: пропорциональное (или безынерционное), апериодическое, интегрирующее, дифференцирующее и колебательное.
По статическим характеристикам (зависимость выходной величины в установившемся состоянии от входной) типовые звенья классифицируют на линейные и нелинейные. Среди нелинейных наиболее типичные: с зоной насыщения; с зоной нечувствительности (с запаздыванием); с зоной неоднозначности (петля гистерезиса).
Методы определения характеристик звеньев системы и системы в целом
Математическое описание на основе научных исследований и глубокого проникновения в сущность процессов объекта (математическое моделирование).
Пассивный эксперимент – регистрация входных и выходных параметров процесса в режиме нормальной работы объекта, без каких-либо преднамеренных воздействий.
Активный эксперимент - регистрация входных и выходных параметров процесса при воздействиях на объект по заранее спланированной программе.
Экспериментальное определение характеристик объекта, как правило, производится не для всего диапазона изменений входных и выходных параметров, а лишь для области, которая соответствует реальным рабочим или оптимальным условиям протекания процесса.
При пассивном способе экспериментатор вынужден ожидать естественного проявления интересующих его закономерностей, что значительно увеличивает продолжительность эксперимента. Полученные данные будут справедливы для наблюдавшегося диапазона изменений параметров. Способ пассивного наблюдения имеет экономические преимущества. Практически может быть единственно возможным, когда исследуется реальный промышленный объект с высокопроизводительным непрерывным производством дорогостоящего продукта. Этот способ обладает еще и тем преимуществом, что позволяет извлекать необходимую информацию из накопленной и текущей отчетности предприятия.
При обработке экспериментальных данных используется аппарат математической статистики. При этом выявляются параметры, оказывающие наибольшее влияние, так как учет одновременно всех параметров, поддающихся измерению, практически нецелесообразен.
Существенным является также то, что определенные экспериментально-статистическими методами зависимости выходных параметров от входных имеют простой вид и могут быть легко использованы для управления процессом. Экспериментально-статистические методы могут откорректировать теоретические представления о исследуемом процессе, которые часто имеют односторонний, субъективный характер.
Концепция коэволюции
В рамках системного подхода рассматриваются взаимообусловленные изменения элементов, составляющих целостную развивающуюся систему. Сначала в биологии, а затем и в других науках было использовано понятие коэволюция. Это сопряженная, взаимообусловленная эволюция элементов единой системы, объединяющая идеи системного и эволюционного подхода. Примером коэволюции служат взаимные изменения видов партнеров в системах «паразит-хозяин», «хищник-жертва». Результатом коэволюции может быть как сохранение устойчивости системы, так и ее совершенствование. В системе «паразит-хозяин» естественный отбор способствует выживанию менее опасных для хозяев паразитов и более устойчивых к паразитам хозяев. Постепенно «паразит» и «хозяин» становятся организмами, способствующими взаимному процветанию. Пример: в кишечнике термитов живут простейшие жгутиковые и выделяют фермент, без которого термиты не могут переваривать древесину (расщеплять ее до сахаров). Термиты делятся с паразитами питательными веществами.
В ходе эволюции и в развитии систем выявлена тенденция к уменьшению отрицательных взаимодействий за счет положительных, увеличивающих выживание взаимодействующих видов. Отрицательные и положительные отношения между популяциями в экосистемах уравновешивают друг друга и устанавливается стабильное состояние. Кооперация встречается в природе также часто, как и конкуренция. Объединяются организмы с сильно различающимися потребностями, а конкурируют организмы со сходными потребностями. В природе конкуренция ведет к эволюции, а не к уничтожению вида. Причем выявлена эволюция в интересах группы в целом, даже если она неблагоприятна для конкретных носителей новых признаков. В этой сложной и относительно новой области исследований науку ждет немало нужных открытий.
Сравнивая с системой «хозяин – паразит», человека называют паразитом, живущим за счет ресурсов биосферы и не заботящемся о благосостоянии своего хозяина. В природе паразитизм в процессе эволюции приходит к связям благоприятных для роста и выживания обеих популяций. Возможно, стремление к охране природы не столько результат дальновидности человека и осознания им экологических законов, сколько действие группового отбора, который заставляет познавать биосферу и использовать результаты науки для гармонизации отношений с природой.
Наилучший путь развития эволюционный, постепенный, без потрясений. Но не всегда это возможно. Пример – сложный путь грозовых молний. Согласно условию самоподдержания грозовой разряд «ищет» в атмосфере путь с наименьшим сопротивлением. В результате разряд изменяет направление своего движения от облака к Земле иногда на 180О . На плакате по электробезопасности символически изображена стрелка с двойным изгибом.
Этапы создания или модернизации систем
Анализ ограничений и принятие системы компромиссов.
Принятие решений совместимых с ограничениями и компромиссами.
Воплощение принятого решения.
Для принятия решения необходимо целостное представление: о объекте и процессе, которым нужно управлять; о цели управления; о возмущениях; о источниках информации (датчиках); о исполнительном механизме; о алгоритме управления.
Неустойчивость системы проявляется самоподдерживающимися (или возрастающими) колебаниями. Пример – свистящий звук, когда микрофон слишком близко приближается к акустической колонки.
Трудно переоценить возможности вычислительной техники и в системах управления и при системном подходе к изучению объектов. Вычислительная техника обеспечивает обработку информации и реализацию сложных алгоритмов управления. В компьютерных системах автоматизированного управления производством, например, реализованы функции: финансовое планирование и контроль над всеми стадиями производственного процесса с целью минимизации издержек; исследование состояние рынка и прогнозирование перспектив сбыта изделий.
Вопросы для самоконтроля по Теме 3
1. Какие задачи решает теория систем?
2. Назовите признаки системы.