ТАУ
Филатов Владимир Витальевич
1 Лекция
Основные понятия
ТАУ- прикладная инженерная система В курсе рассматривается только автоматическое управление техническими объектами.
Смежные направления: кибернетика, синергетика. Они решают общие проблемы управления для своей области, необязательно технической.
Компоненты автоматического управления.
1.Управление техническими объектами- это такая организация процесса функционирования, которая обеспечивает достижение определенной цели.
Система управления- совокупность всех устройств, обеспечивающих управление заданным объектом.
О общем случае система управления может включать оператора- следит за приборами (получает информацию)- принимает решения, выбирает управляющие воздействия. Он выполняет операции, поддерживающие работу системы.
Интерактивная система- с оператором. При сложном объекте оператор не может выполнять правление ->необходимость автоматизации процесса управления -> осуществляется с помощью специальных устройств- регуляторов.
Регулятор- это устройство, которое автоматизирует процесс управления и помогает оператору улучшить качество процессом управления.
Автоматическая система- полное исключение оператора. Это автоматическое устройство, выполняющее все операции в процессе получения, передачи, преобразования и использования энергии, информации без участия человека.
Управляющий объект- это часть материального мира.
При возникновении задачи управления объектом возникает необходимость разделения материального мира на собственно объект и внешнюю окружающую среду.
Объект остается при этом связан с внешней средой взаимодействием.
G-вектор возмущений. Y- реакция.
Кибернетика и синергетика
От греческого слова «искусство управления». Она рассматривает процесс в автоматических системах с позиции преобразования информации. (сведений о состоянии системой). Объект управления в кибернетике- преобразователь информационных сигналов в зависимости от их материальной природы.
Создание информационной теории базировалось на: математике, статистической теории сигналов, физике. В настоящее время- еще и вычислительная техника.
Официальная дата возникновения кибернетики- 1948 год. Париж.
Основа исследования принципа управления- кибернетика. Общие для всех структур информационные процессы. Базовый принцип- принцип обратной связи.
2 типа операций:
1.Выдача регуляторам по прямой цепи команд, изменяющих состояние объектов по управляющим законам.
2.Сообщение объектам (механизмам), блоку управления о своем состоянии и принятии решения о последующем управлении по результатам соответствия заданным и реальным состояниям.
В Кибернетике рассматриваются реальные объекты с точки зрения преобразования этими объектами информации. При этом не принимается во внимание материальное воплощение этих объектов.
Предмет исследования- кибернетические системы, описывающие процессы получения, хранения, переработки и использования информации.
На сегодняшний день устоялось понятие технической кибернетики. В технической кибернетике Виннер отмечает работу ДЖ. К. Максвелла., вышедшую в 1868 году, посвященную анализу управления частотой вращения вала паровой машины с помощью регулятора Уатта.
Направления технической кибернетики:
1.Построение приспосабливаемых к внешних условиях технических систем (адаптивные системы.)
2.Разработка методов автоматизированного проектирования с устройств использованием вычислительных средств
3.Исследование автоматизированных интерактивных систем и комплексов.
Следует отметить, что техническая кибернетика рассматривает только устройства и системы у которых отсутствует мотивация (нет эмоций, Души ).
Не затрагивает социальные объекты и не распространяется на общество.
Важный момент- обязательное наличие более менее полной модели объекта.
Основной научный метод, применяемый для исследования систем- их численное моделирования.
Кибернетика «работает» только с моделями. Таким образом, по существу это чисто математическая наука. Физическая суть процесса вынесена за рамки моделирования.
Всеобщий характер кибернетических методов в теории управления пытались , не всегда обосновано, распространить на области социологии и экономики. При этом не учитывалось, что социальные и экономические системы обладаю мотивацией.
Принципиальное ограничение технической кибернетики- необходимость построения моделей, основанная на знаниях предметной области. Во многих случаях это численное моделирование.
Условия эффективности численного моделирования:
1.Наличие математических или имитирующих (имитационных) моделей, которые способны с заданной точностью отразить процессы в исследуемой системе.
2.Существование численных методов, алгоритмов, средств анализа таких моделей.
Оба аспекта взаимосвязаны.
Долгое время при синтезе автоматических систем преимущественно использовались линеаризованные модели, описывающие объекты в координатах «вход-выход».
Для описания и последующего исследования объекта объект «изолируется», действие окружающей среды заменяется эквивалентным вектором
- на рисунке одномерный объект
Многомерные объекты характеризуются векторами переменных.
Входной вектор
Выходной вектор
Вектор возмущений
Линеаризация существенно упрощает процесс моделирования. В этом случае моделью является система линейных обыкновенных дифференциальных уравнений (либо в координатах «вход-выход» либо уравнений состояния).
При таком подходе необходимо учитывать следующее: пренебрежение нелинейными эффектами может привести к качественно-ошибочному описанию процессов.
В ряде случаев удается построить достаточно простые нелинейные модели и осуществить их реализацию численными методами. Результаты решения строятся в фазовом пространстве (частный случай- фазовая плоскость).