- •Часть 1. Общие сведения о системах и теории управления
- •1. Основные понятия теории управления
- •1.1. Понятия об управлении и системах управления
- •1.2. Объекты управления
- •1.2.1.Технические объекты
- •1.2.2. Экономические объекты
- •1.2.3. Биологические системы
- •1.3. Поведение объектов и систем управления
- •1.4. Информация и принципы управления
- •1.4.1. Разомкнутые системы управления
- •1.4.2. Компенсация возмущений
- •1.4.3. Системы управления с обратной связью
- •1.4.4. Системы с компенсацией параметрических возмущений
- •1.4.5. Адаптивное управление
- •1.5. Способы кодирования иформации в системах управления
- •1.6. Энергетический аспект управления
- •1.7. Цели систем и требования к процессам управления
- •1.7.1. Цели систем управления
- •1.7.2. Требования к процессам управления
Часть 1. Общие сведения о системах и теории управления
1. Основные понятия теории управления
1.1. Понятия об управлении и системах управления
Под управлением понимается совокупность операций по организации некоторого процесса для достижения определенных целей.
Рассмотрим пример процесса судовождения (рис. 1.1). Целью управления является поддержание курса движущегося судна равным заданному З. Говорят, что судно является объектом управления. Возмущающие воздействия f — ветер, волны, течения — приводят к отклонению курса от заданного = З —. Для ослабления влияния возмущений и ликвидации отклонения используется управляющий орган — руль. Изменение положения руля является управляющим воздействием — завершающей операцией по организации процесса судовождения для достижения заданного курса.
Рис. 1.1. Пример процесса управления
Анализируя пример управления судном, можно выделить следующие операции:
1 — получение информации о цели (заданном курсе);
2 — получение информации о состоянии процесса и среды;
3 — выявление соответствия цели текущего состояния процесса и принятие решения об оказании управляющего воздействия на объект (можно предположить, что полученная информация обрабатывается по некоторому алгоритму);
4 — исполнение принятого решения.
Первые две операции отражают информационный аспект, третья операция — алгоритмический, а четвертая — энергетический аспект управления.
Если все операции управления осуществляются человеком, то это ручное управление. Судно крупного тоннажа обычно снабжено приводом руля (рулевой машиной), т.е. человек освобожден от физических усилий. В подобных случаях говорят о механизированном управлении. Для этого необходимы исполнительный механизм и источник энергии. Автоматическое управление осуществляется без непосредственного участия человека. При этом не только энергетические, но также информационные и алгоритмические операции управления передаются автоматам.
Операции автоматического управления реализуются в следующих основных функциональных элементах: объекте управления, измерительных элементах, управляющем устройстве и исполнительном механизме.
На рис.1.2 условно изображена система управления (СУ) курсом судна. Объектом является движущееся судно; роль измерительного элемента играет гироскопический компас (ГК), ось которого направлена вдоль заданного курса; авторулевой — управляющее устройство; привод руля является исполнительным механизмом. Линии со стрелками указывают направление причинно-следственных связей элементов.
Предполагается, что элементы СУ обладают свойством однонаправленности. Например, изменение курса судна приводит к изменению сигнала на выходе гироскопического компаса, но изменение этого сигнала, очевидно, не может изменить курс судна. Изменение положения руля приводит к изменению курса движущегося судна, но изменение курса не может изменять положение руля. Свойство однонаправленности элементов, причинно-следственный характер их взаимодействия являются принципиальной особенностью подхода, принятого в теории управления.
Рис. 1.2. Система управления курсом судна
Схема, изображенная на рис. 1.2, является первым уровнем абстракции, необходимой для последующего анализа системы управления. На схеме выделены и упрощенно изображены конкретные элементы системы — судно, привод руля, гирокомпас и др.
Теория управления изучает закономерности управления, присущие объектам любой природы, поэтому имеет дело с более абстрактными описаниями. Следующий уровень абстракции иллюстрирует рис.1.3, где приведена структура системы с указанием функций элементов: объект управления (ОУ); исполнительный механизм (ИМ); управляющее устройство (УУ); измерительный элемент (ИЭ). Там же даны и обозначения основных переменных систем управления: y — управляемая переменная (выход объекта и системы); u — управляющее воздействие (информационное); g — задающее воздействие (цель управления); f — возмущающее воздействие среды. Схема на рис. 1.3 является достаточно общей и отражает существенные черты систем управления с обратной связью.
Рис. 1.3. Структура системы управления с обратной связью
Обратим внимание на то, что “физический” объект в окружении измерительного элемента ИЭ и исполнительного механизма ИМ естественно интерпретировать как преобразователь информации, так как переменные входа и выхода такого “расширенного” объекта управления являются маломощными сигналами — носителями информации. Так происходит отвлечение от энергетических, материальных и иных особенностей процессов, реализуемых в объектах и других элементах. Система управления (см. рис. 1.3) образуется совокупностью элементов и связей между ними, трактуемых как преобразователи и каналы передачи информации.
Совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов образует систему управления, если она способна к достижению цели. Системы управления представляют собой класс динамических систем, отличающихся наличием цели и специальной организации, позволяющей достигать поставленную цель. Подобные системы функционируют в живой и неживой природе, в самых различных областях техники, экономики, биологии. Однако, независимо от области функционирования, их объединяет в особый класс ряд системных свойств и признаков.