Введение. Слово «автоматизация» происходит от греческого «автоматом» что означает «самодумающая (машина)»

Слово «автоматизация» происходит от греческого «автоматом» что означает «самодумающая (машина)»

Автоматизация – это применение технических средств, математических методов и систем управления, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использование энергии, материалов или информации.

Автоматизируются:

1. Технологические, энергетические, транспортные и другие производственные процессы;

2. Проектирование сложных объектов, агрегатов, судов, промышленных сооружений и пр.;

3. Организация и управление в рамках различных организационных структур(цех, завод, отрасль и т.д.);

4. Научно-исследовательские работы, медицинское и техническое диагностирование и многое другое.

Мы остановимся с вами на рассмотрении в основном пункта 1.

Цель автоматизации – повышение производительности и эффективности труда, улучшение качества продукции, оптимизация управления, облегчение человеческого труда и пр.(американский математик связи с животным и машинным…)

Управление -процесс организации целенаправленного воздействия на объект, в результате которого объект приходит в требуемое(задаваемое, целевое) состояние.

Объект управления - часть окружающего мира, состояние которой нас интересует и на которую мы можем воздействовать целенаправленно, т.е. управлять ею (управляемая часть системы любой природы)например любой технологический процесс является объектом управления.

Рис 1. Взаимодействие объекта со средой: Х-воздействие среды на объект(вход объекта); У- состояние объекта(его выход)

Пример: автомобиль - вход: состояние дорожного покрытия, атмосферы, освещенности, водитель рулевое управление и т.д.

- выход: скорость движения, давление масла, температура двигателя.

Между Х и У существует какая то связь, которую можно предоставить в виде формулы:

, (1.1)

– функция (для статистических объектов) и оператор (для динамических)

Субъект -источник целей, реализуемых управлением (не только конкретная личность).

Появление при анализе управления субъекта с его потребностями совершенно необходимо для понимания процесса образования целей управления. Говоря о причинах управления следует использовать правило: «Ищите, кому выгодно!».Только субъекту и выгодно управление.

Рис.2. Схема взаимодействия субъекта со средой и объектом

Взаимодействие субъекта на объект из-за неудовлетворенности сложившейся ситуации в объекте есть управление.

Цель управления – набор требований, предъявляемых субъектам к состоянию объекта.

Проверить выполнение цели Z* (*- и все желаемое) можно только по состоянию У, но для этого состояние объекта следует выразить на языке целей субъекта

Z=ψ (y) (1.2)

Пример: спидометр и реальная скорость (отечественный автомобиль (км/ч) и зарубежный (миля/ч)) 1) ψ (у)=У 2)Z=0, 63У

Z=Z* (1.3)

Z≠ Z* (1.4)

Цели реализованы и не реализованы. На достижение цели затрагиваются определенные средства, часто очень дорогие. Тем не менее, для реализации управления создаются специальные каналы управления U.

У=F◦ (X, U) (1.5)

Система управления – все необходимые алгоритмы обработки информации и средства их реализации, объединенные для достижения заданных целей управления в объекте. СУ не всегда реализуется «в металле». В общем случае это система правил, договоров и обязательств (алгоритмов), которые реализуются в процессе управления. Совокупность совместно функционирующих объекта управления и автоматического управляющего устройства называют системой автоматического управлении (САУ).

Человеко-машинная система, предназначенная для управления объектом, называется автоматизированной системой управления (АСУ).

Рис. 3. Схема системы управления

Дх и Ду – датчики, с помощью которых измеряются состояние среды и объекта соответственно;

Хd =Дх(Х); Уd=Ду(У) – результаты измерений;

Дх, Ду – операторы датчиков, являющиеся исходной информацией для управляющего устройства (УУ), вырабатывающего управляющее воздействие U;

Е- ненаблюдаемое возмущение;

ИМ – исполнительный механизм;

U◦ - состояние управляющего входа;

U – управляющее воздействие, является информацией о том, в какое положение должны быть приведены управляемые входы U◦.

Хd=Дх(Х), Уd=Ду(У) (1.6)

Формулы (1.6) выражают связь между фактическим состоянием среды или объекта и информацией об этом состоянии. Это не одно и тоже. Пример: Черное море по фотографиям и действительно. Информация всегда неполная, поэтому вводим один вход Е, относительно которого могут выдвигаться только предположения.

Тогда:

У=F◦ (Х, Е, U) (1.7)

Для целенаправленного функционирования системы управления необходимо соблюдать цель Z* управления, т.е. к чему следует стремиться в процессе управления, и алгоритм управления, т.е. указания, как этой цели добиться.

Алгоритм – четкое, недвусмысленное правило, инструкция, указания, что и как следует делать, чтобы добиться заданной цели Z* в сложившейся ситуации I (информация, которая лежит в основе процесса управления).

I=< Xd, Уd> (1.8)

Пример: инструкция по применению лекарства есть алгоритм.

Представим управление как результат работы алгоритма:

U= φ (I, Z*) (1.9)

где φ – алгоритм управления.

Основные факторы любой системы управления (необходимые и достаточные):

Для чего? - цель управления (Z*);

- информация о состоянии объекта и среды (I)

Чем? - воздействие на объект, т.е. управление (U);

Как? - алгоритм управления (φ)

При исключении из перечня хотя бы одного фактора нарушает систему, делает управления невозможным.

Пример: военные действия – нарушение коммуникаций и линий связи (I), штабы (алгоритм управления).

При управлении технологическими процессами и установками в прокатном производстве приходится сталкиваться с трудностями, связанными в первую очередь со сложностью объектов управления. Поэтому приведем некоторые основные черты сложного объекта.

1) Отсутствие математического описания и необходимость в нем.

Под математическим описанием понимается наличие алгоритма вычисления состояния У объекта по наблюдениям его входов – управляемого и неуправляемого, но наблюдаемого Х.

Простые объекты управления могут не иметь математического описания. Пример: для управления температурой комнаты необязательно знать какова математическая зависимость ее от нагревателя.

Если хочешь управлять сложной системой с использованием формальных методов, то придется создать ее математическую модель.

2) Стохастичность поведения сложных объектов. Эта черта обусловлена

не столько наличием каких- то специальных случайных помех в объекте управления, сколько сложностью объекта и связанным с этим неизбежным обилием всякого рода второстепенных процессов. Поэтому его поведение зачастую неожиданно для исследователя, причем эта неожиданность удобнее рассматривать как зашумленность, как случайный фактор, чем разбираться в механизме второстепенных (естественно с точки зрения цели управления) процессов. В данном случаи удобно считать случайным все, что непонятно. Этот подход хорошо развит в статистической теории управления (элементы которой рассмотрим позже).

3) Нетерпимость к управлению. Дело в том, что любой сложный объект

существует и функционирует независимо от субъекта и его потребностей. Так любой технологический процесс существует для производства продукции, а не для управления им. Всякое управление нарушает «нормальное» функционирование объекта, делая зависимым от субъекта. Наглядно это видно на примере управления активным объектом (коллективы людей), когда цели объекта и управления редко совпадают.

4) Нестационарность проявляется в дрейфе характеристик объекта, т.е. в

эволюции объекта во времени. Чем сложнее объект, тем быстрее он меняется. В обыденной жизни с этим процессом мы сталкиваемся, наблюдая амортизацию (старение) вещей и предметов. Причем, телевизор или автомобиль (сложные объекты) стареют значительно быстрее, чем молоток. Следствием нестационарности является следующая черта сложного объекта управления.

5) Невоспроизводимость экспериментов проявляется в различной реакции

объекта на одну и ту же ситуацию или управление в различные моменты времени. Сложный объект как бы перестает быть самим собой, т.е. постоянно меняется.

Все перечисленные обстоятельства приводят к тому, что цель управления в полной мере никогда не достигается. Эффективным способом борьбы с перечисленными свойствами объекта является экстраполяция поведения системы, т.е. выяснения направления ее эволюции. В этом случаи управление производится с упреждением, с учетом выявленного изменения объекта.