1.7. Цели систем и требования к процессам управления

Основное требование к системам управления — достижение поставленной цели.

1.7.1. Цели систем управления

Поведение объекта — изменение во времени и/или в пространстве характеризующих объект совокупности физических, химических, экономических или иных величин. Если поведение объекта не удовлетворяет требованиям, то возникает необходимость в управлении.

Цель системы управления обычно конкретизируется в виде задающих воздействий — переменных , сигналов, несущих информацию о целевом или желаемом состоянии объекта. Приведем несколько примеров.

1. Цель в виде заданного конечного состояния. Следует выбрать управляющие воздействия, позволяющие перевести объект в окрестность заданного состояния из начального состояния . Примерами являются: изменение курса судна (см. рис. 1.1); приведение судна в точку с заданными координатами; пуск и останов двигателей; набор высоты и снижение летательных аппаратов; вывод космического аппарата на заданную орбиту; нагрев помещения до комфортной температуры; заполнение или опорожнение резервуара жидкостью и др.

2. Цель — стабилизация заданного неустойчивого состояния объекта. Например, стабилизация верхнего положения маятника (см. рис. 1.7), шагающего робота, ракеты на старте и др.

3. Цель — поддержание рабочего режима объекта в условиях постоянно действующих возмущений. В этом случае говорят о регулировании: автопилоты поддерживают курс и высоту самолета в условиях атмосферных возмущений, авторулевые — курс судна в условиях действия волнения и ветров, регуляторы поддерживают частоту вращения двигателей при изменении момента нагрузки. На рис. 1.17 и рис. 1.19 изображены схемы систем регулирования уровня жидкостей в резервуарах; в иных случаях необходимо поддерживать концентрации реагентов в аппаратах химической технологии; термостаты поддерживают температуру и т д.

4. Целью может быть изменение состояния объекта по заданной программе . Примеры программного управления дает машиностроение, где широко используются станки с программным управлением; пуск и останов парогенераторов и энергоблоков электростанций, а также набор высоты и снижения самолетов выполняются по заданным программам.

5. Целью системы управления может быть слежение за стохастическим сигналом. Например, сервомеханизмы — электромеханические следящие системы — обеспечивают слежение антенной радиолокационной станции за самолетом, многочисленные следящие системы управления различного назначения широко применяют в технике и в быту.

1.7.2. Требования к процессам управления

Идеальная система должна была бы скачком изменять состояние при смене заданного конечного состояния, абсолютно точно воспроизводить задающие воздействия и подавлять возмущения при возможных вариациях свойств системы. Однако изменение состояния реальных систем связано с перераспределением энергии, материалов или иных ресурсов, накопленных в объекте и других элементах систем, а это требует времени. Действительно, нельзя мгновенно перевести судно в пункт назначения, нельзя внезапно изменить курс судна (не удастся даже мгновенно изменить положение пера руля в силу ограничений на скорость привода), летательные аппараты не могут скачком набрать высоту. Требуют времени операции наполнения или опорожнения резервуара с жидкостью, нагрева или охлаждения помещения из-за ограниченной мощности насосов или кондиционеров.

Очевидно, перевод объекта в другое состояние требует времени — это процесс.

Процессы достижения одной и той же цели могут быть различными, и к ним предъявляются определенные требования, сводящиеся к различным ограничениям. Возникает задача качественной и количественной характеристики процессов управления.

Прежде всего, это требование устойчивости. В устойчивой системе отклонения состояния объекта, вызванные вариациями начальных условий или действующими возмущениями, должны затухать (не должны возрастать) с течением времени. Анализу устойчивости систем и синтезу систем стабилизации неустойчивых режимов объектов, а также коррекции систем с обратной связью в теории автоматического управления традиционно уделяется большое внимание.

Устойчивость является необходимым, но не достаточным условием работоспособности систем управления.

На рис. 1.20 изображены графики процессов перевода выходной переменной системы из состояния в состояние . Все процессы достигают цели, конечное состояние устойчиво, однако, характер процессов различается. Процессы 1, 2 монотонны, процесс 3 имеет апериодический, а процесс 4 — колебательный характер.

Отклонение процессов от идеала следует оценивать и количественно; такие оценки называют показателями качества процессов управления. Показателями качества, во-первых, являются длительность процессов достижения заданной окрестности целевого уровня ; можно видеть, что процесс 3 за наименьшее время с приемлемой для практики точностью достигает целевой уровень. Во-вторых, имеют значение отклонения процесса; на примере, изображенном на рис. 1.20, кривая 4 имеет большее “перерегулирование” по сравнению с процессом 3. Монотонные процессы 1 и 2 достигают цели без перерегулирования, но длятся сравнительно долгое время.

Рис. 1.20. Типы процессов управления

Формализация требований к процессам управления тесно связана с целью управления. Построение моделей цели систем и требований к процессам управления так же необходимо для решения задач анализа и синтеза систем управления.

Стереотипы качества процессов управления выработаны практикой эксплуатации следящих систем, систем стабилизации и программного управления. Можно сказать, что “ все хорошие системы похожи друг на друга”.