Принцип программного управления 4 страница

4. Задача наблюдения за состоянием ОС. Если ОУ подвержен существенному воздействию со стороны ОС, которое влияет на процесс достижения цели, то необходимо наблюдение за этим состоянием ОС, на предмет выявления воздействия ОС на ОУ.

5. Задача выработки управляющего воздействия. При решении этой задачи СУ должен выработать или суметь выбрать из списка УВ, такие, применение которых «сближает» ОУ с целью. Значит нужно сформулировать некоторое правило, по которому СУ должно выбирать УВ. Это правило будем далее называть алгоритмом управления. По большому счету, конструирование этого алгоритма и является основной целью ТУ. Если мы этот алгоритм управления переформулируем в виде описания некоторой последовательности действий, которые могут быть реализованы с помощью Задатчика Программного Управления, то мы получаем управление по программному принципу.

6. Задача исполнения управляющих воздействий. После выработки УВ встает задача его реализации, т.е. применения его к ОУ. Для решения этой задачи в состав ОУ включается исполнительное устройство ИУ. Примером ИУ является рулевое, тормозное устройство, устройство управления карбюратором и т.д. Подобные исполнительные устройства присутствуют и в организациях, например, канцелярия, занимающаяся, в том числе и тем, что она рассылает приказы и распоряжения лицам, кому они предназначены. Невыполнение подобных управляющих директив руководства наказывается соответствующими карами: выговорами, штрафами, понижением в должности и т.п.

Управление — функция организованных систем различной природы (биологической, технической, социальной), обеспечивающая сохранение определенной их структуры, поддержание режима деятельности, реализацию их программ и достижение их целей. Термин «управление» можно толковать несколько шире. Мы можем говорить об управлении не только системами, но и процессами, с целью придания им желаемых свойств. Говорят об управлении качеством, управлении безопасностью и т.д.. конечно, в каждом конкретном случае необходимо раскрывать смысл этого управления. Однако, общим является то, что имеется ввиду целенаправленное воздействие на процесс и/или организация этого целенаправленного воздействия. Цель должна присутствовать обязательно. Без цели нет управления!

26. Типы регуляторов. Примеры регуляторов в модельной задаче о воздействии на механическую систему.

Под регулированием будем понимать процесс поддержания или изменения по заданным условиям некоторой величины (показателя) с помощью целенаправленного воздействия — управления. Показатель – величина (информация), на знании которой основывается процесс регулирования. Критерий – заданное условие, ограничение, накладываемое на показатель регулирования Ω. С задачей регулирования тесно связана задача слежения. В этом случае задающий сигнал (условие) испытывает зависимость от времени. К необходимости регулировки приводит изменение желаемого режима функционирования системы из-за внешних воздействий со стороны ОС или изменения свойств элементов системы и/или свойств взаимодействия элементов системы между собой. Если регулирование происходит без непосредственного участия человека то оно называется автоматическим. (Задача о грузе на пружине). Если основная задача управления заключается в том, чтобы выходной сигнал системы «следил» за меняющимся задающим сигналом y_i= y_i(t), то такая система управления называется следящей. Если же основная задача управления заключается в том, чтобы выходной сигнал поддерживался равным или приблизительно равным постоянному задающему сигналу (уставке) y_i= const, то такая система управления называется регулятором.

Добавим к пружине амортизатор, усилие которого определяется скоростью изменения растяжения. Тогда модель этой системы – модель ОУ примет следующий вид: (4) где f_d – шум, а управляющее воздействие f_с осуществляется пропорциональным регулятором f_с = k (y_i - y_о) — (5)

Подобные системы управления, движения которых имеют первый порядок, назовем системами первого порядка.

Регулятор, задаваемый соотношением (5) на-ся пропорц. или П-регулятором. В нашем случае, когда ОУ описывается системой второго порядка возможно использование не только П-регулятора, но и Д-регулятора (дифференциального), в котором управляющее воздействие определяется пропорционально скорости изменения ошибки . И-регулятор. При таком управлении сигналу ошибки пропорциональна скорость изменения управляющего сигнала (а не сам сигнал!). (18)Из (18) ясно, что управляющее воздействие y_c регулятора будет изменяться до тех пор, пока ошибка отличается от нуля. Происхождение термина «интегральный» становится ясным, если проинтегрировать (18) по времени, что дает: (19) или управляющее воздействие определяется как пропорциональное интегралу сигнала ошибки во времени. Интегральный регулятор как бы «запоминает» поведение ошибки во времени, и эта память, сохраняемая регулятором и после того, как сигнал ошибки стал равен нулю, позволяет поддерживать корректирующее воздействие, необходимое для компенсации сигнала ошибки. В этом состоит коренное отличие И-регулятора от П и Д-регуляторов. Примеры: интегральный: динамика поведения шарика в лунке (процесс overshoot)(перерегулирование), попл.камера карб (если нальем много бензина, то поплавок будет колебаться но через некоторое время примет нужное положение). Вообще автоматич регуляторы применяются везде: в компах, в лифтах и т.д.

27. Детерминированные и стохастические процессы в управляемой системе.

Обозначим через y (t) – состояние системы в момент времени t. Если переменные состояния – действительные числа и их всего n, то . Таким образом исключаем из нашего рассмотрения так называемые «распределенные» системы, где состояние системы зависит от t и от точки пространства. Отображение описывает эволюцию, движение, поведение системы. Будем предполагать, что эволюция системы описывается некоторой моделью. Здесь возможны самые разнообразные ситуации. Модели могут быть детерминированными, со случайными факторами, с запаздыванием и т.п. Функция в свою очередь может быть непрерывной – разрывной, регулярной (дифференцируемой) – нерегулярной (недифференцируемой) и т. д. Мы ограничимся только детерминированным и стохастическим случаями без запаздывания, приводящими к непрерывной функции состояния системы состояния системы y (t). В детерминированном случае модель чаще всего такова, что y (t) есть решение задачи для дифференциального уравнения с начальными данными: (1) Пример 1. Система чашка кофе описывается моделью где y = y (t) – «средняя» температура системы, y₀ – начальная температура, y_E – температура окружающего чашку воздуха, принимаемой постоянной за время остывания кофе, k_E – коэффициент теплоотдачи, m – масса и с – удельная теплоемкость чашки кофе. Пример 2. Народонаселение земного шара может быть описано с точки зрения динамики ее численности моделью где N = N (t) – общая численность, a – коэффициент воспроизводства, N₀ – начальная численность населения Земли. Если модель допускает «аналитическую реализацию», то мы можем определить функциональную зависимость y = y (t), как решение (1). В общем случае, когда аналитического решения нет или мы не в состоянии его определить, то (1) практически отражает факт изменения состояния системы между t и , где - малый интервал между наблюдениями, как (2) где y (t) – состояние системы в текущий момент времени t. Так что состояние системы в момент времени описывается как (3). Состояние (3) тем точнее, чем меньше . Такое свойство модели – способность описывать состояние системы в будущем будем называть прогностической функцией модели. С состоянием (3) может быть связана и другая функция модели – объяснительная. При изучении системы мы можем высказать ряд гипотез и построить на их основе модель функционирования системы. Если она достаточно точно описывает наблюдаемое поведение системы, то мы можем с определенной уверенностью утверждать о справедливости высказанных гипотез. Если нет, то вернуться к высказанным гипотезам и подвергнуть их соответствующей модификации вплоть до удовлетворенного совпадения – адекватности. Если при моделировании мы решили учитывать и случайные факторы, то изменение состояния системы будет уже случайной величиной. В этом случае естественно предположить, что к правой части (2) добавляются случайные поправки. При отсутствии информации о характеристиках случайных процессов (средние, дисперсия, закон распределения) проще всего предположить, что эта случайная поправка распределена по нормальному закону (как результат действия многих равномерно распределенных возмущений) со средним значением равным нулю и дисперсией, зависящей, в общем, и от y (t). Тогда, если две поправки, соответствующие двум не пересекающим интервалам времени независимы, в общем случае можно принять модель (4) где - матрица, а распределено по нормальному закону со средним О и дисперсией (E – единичная матрица). Соотношение (4) представляет эволюцию системы в виде суммы двух процессов: детерминированного и случайного. Последний может представляться как описание воздействия на систему со стороны окружающей среды. Важным моментом представления (4) является требование того, что для непересекающихся интервалов времени и были независимы. Это означает, что мы требуем, чтобы случайный процесс был Марковским, независимым от прошлого. Будущее системы будет определяться только его настоящим, так как мы решили процесс запаздывания не рассматривать. В этом случае достаточно предположить, что w (t) есть так называемый n-мерный Винеровский процесс и (5). Тогда требуемое свойство независимости от прошлого выполняется. Если , то в общем случае (4) можно записать в виде равенства дифференциалов (6), а не в форме производных (1), ибо винеровский процесс, будучи непрерывным и имеющим ограниченную вариацию, не является дифференцируемым. Примером винеровского процесса является, например процесс броуновского движения частиц. Он находит широкое применение при анализе будущих изменений цен активов в финансовых задачах. Именно по этой причине он здесь и упоминается. Уравнение (6) называется стохастическим дифференциальным уравнением в смысле Ито. Решение уравнения (6) – непрерывный Марковский процесс, называемый диффузным процессом с приращением процесса g и матрицей - называемой диффузным членом. Если матрица невырождена, т. е. , Е – единичная матрица, а неравенство понимается в смысле для любого вектора , то dy (t), а значит и y (t), может принимать любые значения из Rⁿ с отличной от нуля вероятностью в силу того свойства закона нормального распределения. Это может вносить неудобства при описании содержательных ситуаций в ряде предметных областей, где на y (t) накладываются смысловые (содержательные) ограничения.

28. Структурная схема гипотетического управляющего устройства движением материальной точкой по принципу обратной связи.

Рассмотрим управление движением материальной точки по прямой линии. Это может служить простейшей моделью движения автомобиля по прямой дороге. Под " заданным состоянием" будем понимать начало координат фазового пространства, в нашем простом случае фазовое пространство характеризуется двумя цифрами. Уравнение движения материальной точки может быть записано с помощью второго закона Ньютона в виде: (1) где m- масса материальной точки, f - результирующая сил, действующих на точку. Эта результирующая, вообще говоря, может зависеть от положения точки x и её скорости dx/dt. Чтобы корректно сформулировать математическую задачу для дифференциального уравнения (1) надо добавить начальные данные x(0)= ₀, dx/dt(0)= ₁ (2), задающие положение и скорость точки в начальный момент времени. Такая задача в математике называется задачей Коши. Задачей теории управления в данной ситуации служит выбор силового воздействия, такого, что под действием этого воздействия, точка из начального положения ( ₀,  ₁) за некоторое время T попадет в заданное состояние, а именно – начало координат. В этом случае возможны различные постановки, связанные с управлением. Например, подобрать f так, чтобы переход в начало координат осуществлялся за минимальное время. Подобная задача в теории управления носит название задачи о быстродействии. Мы можем рассмотреть например задачу о максимуме пути, пройденном точкой за заданное время. Если мы введем функцию стоимости, связанную с состоянием динамической системы U(x, t), то может быть сформулирована и задача перевода динамической системы в заданное состояние с минимальным интегралом функции стоимости. (3). Перейдем от задачи (1) с начальными условиями (2) к эквивалентной постановке: (4). Тогда для произвольного момента времени t, интегрируя уравнения движения, получаем: Первые слагаемые описывают влияние начальных данных на процесс движения, а слагаемые, содержащие интеграл определяются управляющими воздействиями, выбираемыми субъектом управления. Здесь и далее массу точки будем предполагать единичной. Таким образом, задача управления материальной точкой в нашем случае свелась к проблеме выбора управляющего воздействия f такого, что:

И при этом время Т должно принимать минимальное значение из возможного, если мы решаем задачу о быстродействии. Ограничим сначала сложность задачи.

Таким образом, мы определили допустимое управление, решающее задачу достижения точкой начала координат. Это управление заключается в следующем: в зависимости от знака величины  ₀ +  ₁  ₁ /2 возможны четыре варианта выбора управляющего воздействия: два варианта без переключения (управление постоянно), либо два варианта с одним переключением (управление кусочно постоянно).

29. Управление в технических системах. Системы с обратной связью. Пример управляемой системы – поплавковая камера карбюратора.

Поплавковая камера карбюратора. Служит для регулировки (управления) уровнем бензина в карбюраторе. Целью является поддержания фиксированного уровня бензина. Впервые подобная идея управления уровнем жидкости была реализована более 2 тысяч лет назад в устройстве водяных часов.

Принцип работы системы достаточно прозрачен: 1) при уменьшении уровня бензина, поплавок, плавающий в бензине, понижается и воздействует на запорную иглу, которая открывает отверстие подачи бензина из бензобака, что и приводит к повышению уровня бензина; 2) при увеличении уровня бензина поплавок поднимается и запорная игла закрывает отверстие подачи из бензобака, что и приводит к уменьшению уровня бензина. Такое поведение поплавка приводит в целом к стабилизации уровня бензина в поплавковой камере. Уровень бензина в поплавковой камере определяет равномерность подачи бензина в камеру сгорания двигателя. Поэтому, если бы регулятора уровня бензина не было, то мы бы почувствовали ощутимые рывки и толчки при поездке на автомобиле. Устройством управления здесь служит поплавок + запорная игла, средством «измерения» уровня — поплавок, исполнительным устройством — запорная игла.

Основополагающими в технических системах являются решение задачи целеполагания и задачи синтеза (конструирования) такой управляемой системы, с помощью которой эту цель можно достичь. Если мы будем интересоваться техническими управляемыми системами, то список функций управления трансформируется следующим образом: 1) функция целеполагания или целеуказания – формулировка цели или выбор цели, если их несколько, ради которой создается, конструируется, проектируется данная техническая система. Например, регулировка (стабилизация) некоторой характеристики (уровень топлива, скорость вращения), слежение (наблюдение) за состоянием ОУ – система противовоздушной обороны, если отвлечься от наличия людей в этой системе. Если этот пример вызывает настороженность, то можно рассмотреть автоматическую систему слежения за доступом на охраняемый объект; 2) функция мониторинга (контроль) за состоянием ОУ – обобщенное название совокупности функций наблюдения (сложения), описания, оценки состояния (сравнение с эталоном, образцом, идентификация состояния); 3) функция выработки управляющего воздействия; 4) функция реализации управляющего воздействия; функция анализа применения управляющего воздействия. Системы с обратной связью. управление по принципу обратной связи, при котором выбор управляющего воздействия осуществляется исходя из информации о текущем состоянии ОУ относительно цели. В этом случае процесс управления может быть описан как процесс, состоящий из шагов: 1)Получение информации о состоянии ОУ; 2)Анализ состояния ОУ относительно цели; 3)Выбор управляющего воздействия из списка допустимых управляющих воздействий; 4)Применение управляющего воздействия к объекту управления. Для управления по принципу обратной связи характерно наличие так называемого замкнутого контура управления – движение информации с соответствующей трансформацией и изменениями материального носителя от ОУ к СУ и обратно.

30. Человек как “биологический автомат”.

Под организацией будем понимать коллектив людей деятельность которых направлена на достижение общих целей. По масштабу решаемых управленческих задач выделим уровни управления: стратегический, тактический, оперативный. Управление организацией на стратегическом уровне называется стратегическим управлением. Если установление целей организации отвечает на вопрос, к чему организация должна стремиться, если план действий по достижению цели отвечает на вопрос, что надо и когда надо делать, чтобы достичь поставленной цели, то стратегия отвечает на вопрос, каким из допустимых способов, как организация будет эти цели достигать. При управлении организацией особую роль играет задача планирования - формирование плана действий по достижению цели организации. На основе стратегических планов организации формируется тактические планы. На основании тактических планов формируется задачи для тактического уровня управление: контроль состояния выполнения тактического плана, оценка качества выполнения работ, выявление причин невыполнения плана, согласование и корректировка планов, ресурсное обеспечение работ. Опускаясь по управленческой пирамиде, приходим к нижнему оперативному уровню управления в организации. Для реализации тактических планов составляются оперативные планы. Основе в оперативном уровне управления, это контроль исполнения оперативного плана, корректировка оперативного плана и оперативное распределение ресурсов (трудовых, материальных, финансовых и т.д.) для реализации основного процесса деятельности организации. Задачи, решаемые на соответствующем уровне управления, объединяются, соответственно, в задачи стратегического управления, задачи тактического управления, задачи оперативного управления. Эти задачи отличаются своими масштабами и сроками решения.

31. Задачи управления в эргатических системах. Кто управляет эффективнее – автомат или человек?

32. Способы управления. Автоматизация управления. Прогресс в автоматизации управления.

33. Пример синтеза системы управления сложным объектом.

34. Регуляторы. Типы регуляторов. Примеры управляемых систем с регуляторами различных типов. otvety_16-44.pdf

Под регулированием будем понимать процесс поддержания или изменения по заданным условиям некоторой величины (показателя) с помощью целенаправленного воздействия — управления.

Показатель – величина (информация), на знании которой основывается процесс регулирования.

Критерий – заданное условие, ограничение, накладываемое на показатель регулирования Ω. Наиболее часто употребляемые критерии имеют вид:

равенства: a) Ω = const

неравенства:

интегрального условия:

дифференциального условия:

С задачей регулирования тесно связана задача слежения. В этом случае задающий сигнал (условие) испытывает зависимость от времени.

К необходимости регулировки приводит изменение желаемого режима функционирования системы из-за внешних воздействий со стороны ОС или изменения свойств элементов системы и/или свойств взаимодействия элементов системы между собой.

Если регулирование происходит без непосредственного участия человека то оно называется автоматическим. При этом функции, которые выполнял человек субъект управления:

1. наблюдение за показателями состояния ОУ

2. измерение показателей

3. определение отклонения показателей от заданного критерия

4. выработка регулирующего воздействия

5. применение регулирующего воздействия

должны реализовываться специально созданным для этого устройством управления – автоматическим регулятором. При этом на человека уже возлагаются другие функции:

6. контроль за работоспособностью (исправностью) регулятора.

7. принятия управления «на себя», в случае обнаружения неисправности регулятора.

8. вызова наладчика для устранения обнаруженного неисправленного регулятора.

9. выявление неисправности

10. приведение устройства в работоспособное состояние -ремонт

В настоящее время при автоматизации регулирования производственных процессов широко используются компьютерные технологии. Задачи автоматического регулирования представляют «нижнюю» группу задач в иерархии управления производством и они решаются с помощью систем типа SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) или DCS (Distributed Control Systems). Оба указанных типа систем относятся в отечественной классификации к классу Автоматизированных Систем Управления Технологическими Процессами (АСУТП). Системы типа SCADA и DCS относятся к классу MMI (Man-Machine Interface) или HMI (Human-Machine Interface) и обеспечивают «человеко-машинный интерфейс» в смысле обеспечения двухсторонней связи «оператор – технологическое оборудование». Далее под классом MMI (HMI) систем будем понимать такие системы, которые реализуют функции отображения, представления технологической информации и позволяют оператору оказывать на него (технологический процесс) влияние.

С точки зрения общих принципов управления принципиальной разницы между системами SCADA и DCS нет. Однако углубленный анализ специализированной литературы приводят к тому, что системы типа SCADA тяготеют к серверной архитектуре. Сервер осуществляет сбор информации от контроллеров, её обработку и передачу им управляющих воздействий. Этот же сервер – узел управления может быть рабочим местом оператора. К классу DCS можно отнести однородные системы, распределенные не только территориально, но и композиционно в смысле равноправных разнофункциональных узлов.

Замена оператора автоматическим регулятором имеет свои плюсы и минусы. В частности, устранение человека из контура управления уменьшает влияние «человеческого фактора» - свойства человека ошибаться (неверно выбирать управляющее воздействие) в обстановке, совершенно к этому не располагающей или систематически сознательно нарушать предписание требований безопасности.

Пропорциональный регулятор

Дифференциальный регулятор