конспект лекцій автоматизація. Конспект лекцій з дисципліни Вступ до спеціальності для студентів денної форми навчання за напрямами підготовки
 Скачать 0.52 Mb.
|
|
ТЕМА 4 ІНФОРМАЦІЯ ТА ЇЇ ОБРОБКА У СИСТЕМАХ КЕРУВАННЯ 4.1. Загальні поняття про інформацію Інформація – це сукупність відомостей, які визначають міру наших знань про ті або інші події, явища і факти. До основних видів інформації належать:
Але якого б виду не була інформація, для можливості її обробки в електронно-обчислювальній машині (ЕОМ), вона повинна бути закодована (переведена) в дискретну (цифрову) форму і у вигляді даних (тобто набору цифр) подана в інформаційну систему. При цьому, якщо інформація аналогова, тобто безперервна (наприклад, напруга постійного струму, яка змінюється у часі), то її необхідно попередньо дискретизувати, тобто замінити ступінчатою функцією, яка має постійні значення на відрізках A(t) часу, які називаються кроком дискретизації (тактами). Значення функції на окремих тактах можуть бути закодовані в цифровій формі. 4.2. Схема збору, обробки та передачі інформації У загальній схемі системи збору і передачі інформації має місце перетворення типу: повідомлення – сигнал – дані – інформація (рис. 1). Вхідне повідомлення з допомогою первинного інформаційного перетворювача (ПІП) перетворюється найчастіше в електричний сигнал, який є найбільш зручним для передачі й обробки. Інформація в приймачі формується в текстовому або в графічному вигляді, зручному для сприйняття людиною. Для цього служить спеціальний інформаційний пристрій декодування (ПДК) сигналів. Канал зв'язку в загальному випадку не тільки передає сигнали, але й перетворює їх.  Рисунок 1 – Структура системи збору і передачі інформації Джерелом інформації може бути положення вказівника на автомати захисту, горіння сигнальної лампи і т.д. Повідомленням називаються відомості про стан джерела. Для передачі повідомлень використовують сигнали, які по наявних каналах надходять до приймача повідомлень. Необхідно розрізняти поняття «інформація» і «повідомлення». Під повідомленням розуміють інформацію, яка виражена у певній формі, що піддається передачі. Повідомлення – це форма подання інформації. Прикладами повідомлень є тексти телеграми, мова оратора, покази вимірювального пристрою, команди управління, зображення на екрані телевізора і т.п. Сигналом називають фізичний процес, який однозначно відображає повідомлення, яке передається із заданою точністю та придатне для його обробки і передачі на відстань. Та характеристика сигналу, яка служить для представлення повідомлення, називається інформативним параметром сигналу. Перетворення сигналу, яке полягає в зміні якого-небудь інформативного параметру у відповідності з повідомленням, що передається, називають модуляцією. 4.3. Оцінка кількості інформації В інформатиці та обчислювальній техніці кількість інформації, яка міститься у визначенні одного із двох можливих вихідних результатів досліду, називається бітом. Біт (англ. bit - маленький шматочок) – це основна одиниця для вимірювання інформації. Біт може приймати два значення: 0 або 1. Цифри «1» та «0» є символами найпростішої знакової системи – бінарної системи обліку. В кожній цифрі (знаку) бінарного числа міститься 1 біт інформації. Відомо, що результати вимірювань однорідних фізичних величин додаються, якщо самі величини додаються одна до одної. Ця властивість називається адитивністю. Особливе значення для вимірювання об'ємів символьної інформації в обчислювальній техніці має спеціальна одиниця байт (англ. bite – виділений кусок, зчеплення) 1 байт = 8 біт, що відповідає 8-ми розрядам бінарного числа, які використовуються тільки разом, як код символів мови спілкування користувача з ЕОМ. Вимірювання інформації в байтах дає змогу зразу оцінити кількість символів у повідомленні. Об'єм пам'яті ЕОМ вимірюють у похідних від байта одиницях: Кілобайт = 210 байт = 1024 байт; Мегабайт = 210 Кбайт = 220 байт = 223 біт. За Р.Хартлі визначенні одиниці інформації біта як об'єму інформації, який потрібний при повній відсутності попередніх даних для вибору із двох рівноцінних і повністю незалежних варіантів. Виміряти інформацію за Р.Хартлі – це значить перерахувати кількість можливих реалізацій якогось стану, а потім взяти логарифм від цієї кількості. Межа величини інформації зумовлена квантовою природою процесів, які відбуваються у світі. Таким чином інформація є: 1. Об'єктивною фізичною величиною, має кількісну оцінку і допускає точні вимірювання; 2. Використання міри Р.Хартлі не приводить до нескінченної кількості інформації в силу квантування фізичних об'єктів і процесів, які породжують і переносять інформацію. Наприклад, молекула в замкнутому об'ємі має обмежену кількість (множину) стаціонарних і таких, що відрізняються один від одного станів. 4.4. Основні електричні величини До основних понять теорії електричних кіл відносяться: електричний струм, сила електричного струму, електричний потенціал, електрична напруга, елекрторушійна сила. Електричний струм у колі виникає під дією джерела енергії. Отже розглянемо поняття електричного струму. Електричний струм – це явище спрямованого руху носіїв електричних зарядів. Струм може мати додатний чи від’ємний знак, який визначає напрям переміщення зарядів відносно перетину провідника. За напрям струму беруть напрям руху позитивних зарядів. Електричний струм в усталеному режимі може бути постійним або змінним. Постійним називають такий струм, напрям і величина, якого не змінюються з часом. Змінним називають струм напрям і величина якого змінюються з часом. Для кількісної характеристики електричного струму вводять поняття сили електричного струму. Сила електричного струму – це скалярна величина, яка визначає кількість заряду, що переноситься зарядженими частинами крізь перетин провідника за одиницю часу. Одиницею сили струму служить ампер (скорочено позначається – [А]). Струм в один ампер – це такий струм, коли за одну секунду через поперечний переріз провідника протікає електричний заряд величиною один кулон. Однією з умов існування електричного струму є наявність джерела електричної енергії, яке б створювало різницю потенціалів, а отже напругу. Електричний потенціал – це фізична величина, яка чисельно дорівнює роботі поля по перенесенню одиничного заряду з нульової точки до точки простору. Електричний потенціал вимірюється у вольтах [В] та позначається літерою φ. Через електричний потенціал можна визначити електричну напругу. Електрична напруга – це різниця потенціалів. Електрична напруга теж вимірюється в вольтах. Одиницею напруги служить вольт (скорочено – В). Окрім сили електричного струму у провіднику може існувати електрорушійна сила. Електрорушійна сила (ЕРС) – це фізична величина, яка чисельно дорівнює роботі сторонніх сил з перенесення одиничного додатного заряду від від’ємного полюса до додатного всередині джерела. Джерелом ЕРС може бути гальванічний елемент, акумуляторна батарея, електричний генератор, термоелемент тощо. Прикладом сторонніх сил може бути хімічна реакція в гальванічному елементі. Контрольні питання
ТЕМА 5 ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ПРО СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ 5.1. Терміни та визначення Зміна станів об'єкта, системи або процесу, що ведуть до досягнення поставленої мети, називається керуванням. Матеріальний об'єкт будь-якої природи, на зміну станів якого спрямовані керуючі дії, називається об'єктом керування. Такими об'єктами керування можуть бути автомобіль; хворий, що лікується; людина, яка навчається; продукція, що виробляється; економіка країни; військова операція; науковий експеримент. Сукупність значень параметрів об'єкта керування називається його станом. Будь-які зовнішні дії на об'єкт керування, що призводять до зміни його станів, називаються керуючими діями. Так, ремонт автомобіля, який приводить його із несправного стану у справний, є керуючою дією. Керуючою дією є звільнення та приймання на роботу персоналу та робітників на виробництві, змінення номенклатури продукції, що випускається, накази командира і т.д. Керуюча дія передається через сигнал, що надходить на вхід об'єкта керування і впливає на його вихідну величину. Характер зміни керуючої дії за часом називається законом керування. Стан, до якого прагнуть перевести об'єкт керування, називається метою керування. Метою або завданням керування може бути, наприклад, одержання бажаного ефекту при лікуванні хворого; досягнення високої якості продукції, що випускається підприємством, або зниження її собівартості; підтримка заданого ступеня матеріального добробуту суспільства; отримання переваги над противником в бою. Для процесу керування необхідно знати і передбачити поведінку об'єкта керування при різних можливих зовнішніх діях на нього. Зовнішні фактори, які діють на об'єкт керування та обумовлюють відхилення величин, що регулюються, від установлених, називаються збурюючими діями {факторами). Збурюючі фактори звичайно є випадковими величинами і завчасно не можуть бути надійно враховані. Так, водій автомобіля в довгостроковій перспективі заздалегідь не може спрогнозувати погоду, аварійні ситуації на дорозі, технічні несправності. Хоча деякі уявлення про всі ці фактори він, певна річ, має і в цілому враховує їх перед поїздкою. Так чи інакше їх негативну дію при появі він намагається ліквідувати керуючими діями: ховається від непогоди, знижує швидкість, ремонтує автомобіль. При цьому здійснюється компенсація збурюючих факторів керуючими діями. Властивість, яка характеризує можливість приведення об'єкта керування у заданий стан за допомогою керуючих дій, називається його керованістю. Основу складних інформаційних моделей створюють математичні моделі, які враховують не тільки дію на об'єкт в даний момент часу, айв попередні. Найбільш вивчені об'єкти керування, що мають технічну природу. Відповідно і теорія керування ними виявилася найбільш розробленою. Вона має назву теорії автоматичного керування. 5.2. Узагальнена структура систем керування Розглянуті вище завдання керування вирішуються за допомогою систем керування. Система керування – це сукупність об'єктів керування та технічних засобів дії на них. Технічні засоби, призначені для цілеспрямованої дії на об'єкт керування, називаються керуючими системами. Так, наприклад, водій та автомобіль сумісно утворюють систему керування, в якій об'єктом керування є автомобіль, а керуючою системою – водій. Процес керування складається при цьому з вироблення водієм керуючих дій (команд) на органи керування автомобіля – кермо, коробку передач, газ, гальма, прилади освітлення, опалення і т.д. Зв'язок від керуючої системи до об'єкта керування називається прямим, а від об'єкта керування до керуючої системи – зворотним. За допомогою прямого зв'язку здійснюється процес керування об'єктом – змінення його станів у бажаному напрямку, а за допомогою зворотного зв'язку передається інформація про реальний стан об'єкта керування – керуючої системи. Порівняння цього стану з бажаним визначає величину розходження і, отже, визначає подальші дії керуючої системи щодо змінення станів об'єкта керування. Звичайно процес керування здійснюється таким чином: від об'єкта керування до керуючої системи передається інформація про значення параметрів об'єкта керування (закон керування). Керуюча система порівнює їх з потрібними значеннями параметрів, що зберігаються у її пам'яті, і визначає величину їх розходження. Потім вибирається засіб усунення цього розходження, який потім реалізується керуючою системою. Так, водій, дивлячись на приладний щит автомобіля, визначає реальну його швидкість і порівнює її з потрібною. Потім, враховуючи стан шляху, погодні умови та інші фактори ризику, розганяє свій автомобіль до потрібної швидкості. Системи керування в реальних обставинах працюють в умовах зовнішніх і внутрішніх збурень. Під зовнішніми збуреннями, або завадами, розуміють збурення, що надходять із зовнішнього середовища, а під внутрішніми – завади або підмови, що виникають у самій системі керування. Тому важливою проблемою, яка вирішується при проектуванні системи керування, є підвищення її безпеки, надійності, завадостійкості та живучості. 5.3. Класифікація систем керування Для правильного та ефективного використання систем керування на практиці потрібна їх класифікація, в рамках якої можна дослідити особливості тих чи інших їх структур. В основу класифікації систем керування покладені різні ознаки, наприклад, види сигналів, принципи і типи керування. Розглянемо більш поширені класифікаційні ознаки і відповідні класи систем керування. В першу чергу системи керування поділяються за ознакою типу об'єкта керування, яким вони керують. Основні об'єкти керування можна поділити на біологічні, технічні та соціально-економічні. Відповідно і системи керування поділяються за цими ознаками. До першого класу відносять усі живі істоти та їх органи, наприклад, клітини, віруси, бактерії, тварини, люди. До другого класу відносять наукові, технологічні процеси і виробництва, а також різні пристрої та обладнання. Третій клас складають соціально-економічні утворення – установи, армія, держава і т.д. Для кожного класу наведених об'єктів керування повинні розроблюватись свої системи керування, які відповідно поділяють на біологічні, технічні та соціально-економічні. За формою сигналів, що використовуються системами керування, вони поділяються на аналогові та цифрові. Однак обійтись без аналогових елементів цифрові системи та пристрої в принципі не можуть, тому правильно було б говорити не про цифрові системи керування, а про цифрові з елементами аналогових. За видом зв'язку системи керування поділяються на системи з прямим і зворотним зв'язком. У першому випадку інформація передається тільки від керуючої системи до об'єкта керування, а в другому існує також передавання інформації в протилежному напрямі від об'єкта керування до керуючої системи. Системи керування з прямим зв'язком називаються ще системами з розімкненим зв'язком, а із зворотним – із замкненим. Системи керування з прямим або розімкненим зв'язком використовуються у відносно простих випадках, коли вплив збурюючих факторів незначний або їх можна передбачити, а закон керування заздалегідь відомий. У більш складних, найбільш поширених випадках, використовуються системи керування із зворотним зв'язком, тому що вони не потребують повної інформації про збурюючі дії та усі характеристики об'єкта керування. Однак наявність зворотного зв'язку може призвести до зниження, а то і до втрати стійкості системи керування. В результаті погіршиться якість керування або система взагалі може припинити свою роботу. Наступна ознака для класифікації систем керування – це рівень автоматизації об'єкта керування. Використання автоматичних пристроїв і систем для виконання функцій керування називається автоматизацією. Ефект автоматизації виявляється насамперед у підвищенні продуктивності праці та якості продукції, а також у заміні людини автоматами у небезпечних і важкодоступних місцях, таких, як шкідливі хімічні виробництва, ядерні двигуни і реактори, космічні апарати і т.д. При автоматизації основні процеси одержання енергії, матеріалів або інформації здійснюються автоматично, тобто за програмою без втручання людини. Розрізняють такі три види автоматизації: 1. Часткова, коли автоматизуються не пов'язані один з одним механізми та устаткування. 2. Комплексна, коли автоматизуються як основні, так і допоміжні операції. 3. Повна – у випадку автоматизації усіх агрегатів та устаткувань, що беруть участь у робочому процесі. Системи з частковою і комплексною автоматизацією мають назву автоматизованих. В них як учасник процесу керування обов'язково присутня людина. Людино-машинні системи, засновані на використанні економіко-математичних методів і технічних засобів для розв'язування різних задач у виробництві, науці, техніці, освіті, військовій справі, проектуванні, плануванні, називаються автоматизованими системами керування. Передумовою створення автоматизованих систем керування є можливість автоматизації інформаційних процесів на основі цифрових ЕОМ. Основними функціями автоматизованих систем керування є збирання, передавання, зберігання і оброблення первинних даних, формування документів для управлінського персоналу, видавання довідкової інформації, вироблення рекомендацій щодо керування. Автоматизовані системи керування в залежності від об'єкта керування поділяються на ряд підкласів. З них найбільш відомі автоматизовані системи керування підприємством (АСКП) і автоматизовані системи керування технологічним процесом (АСКТП). АСКП є системами керування виробничо-господарчою діяльністю підприємства, що базується на комплексному використанні економіко-математичних методів та сучасних засобів оброблення інформації. Необхідність створення і втілення АСКП пов'язана з великою кількістю об'єктів керування, масштабністю виробництва і високою їх взаємозалежністю. Метою розроблення АСКП є поліпшення системи керування підприємством і, як наслідок, одержання більш високої якості продукції, що випускається, з меншими витратами. АСКТП призначені для розв'язування задач керування технологічним процесом з обов'язковою участю людини-оператора. Ці системи використовують у тому випадку, коли за будь-якими причинами неможливо автоматизувати усі задачі керування, і тоді для їх розв'язування звертаються до людини. Вона звичайно приймає остаточне рішення, а завчасне оброблення інформації та її збирання здійснюють, як правило, цифрові пристрої та машини. В АСКТП більшість контурів регулювання будують за ієрархічним принципом. Перший нижній рівень ієрархії — це основні регулятори, які стабілізують технологічні параметри або змінюють їх відповідно до керуючих сигналів. Основні регулятори, як правило, безпосередньо впливають на виконавчі органи. Другий рівень утворюють коректуючі регулятори, які керують основними регуляторами, тим самим непрямо впливаючи на технологічний процес. На більш високих рівнях регулювання в АСКТП знаходяться обчислювальні комплекси, які прораховують оптимальні режими і змінюють завдання регуляторам, що знаходяться на нижніх рівнях ієрархії. У випадку повної або майже повної автоматизації використовуються системи автоматичного керування (САК). Комплекс пристроїв, призначених для автоматичної підтримки бажаного режиму роботи об'єкта керування, називається системою автоматичного керування. Метою автоматичного керування є підтримка заданих значень керованих (регульованих) величин при повній автоматизації. Ця мета досягається за допомогою об'єднаних у систему автоматичних пристроїв, працюючих без втручання людини. Вони розв'язують більш прості завдання ніж автоматизовані системи, однак з більшою швидкодією і точністю. Ці системи звичайно входять, як складова частина, в автоматизовані системи керування, звільняючи людину від рутинної роботи і дають їй час для прийняття відповідальних рішень. Так, наприклад, у сучасних автомобілях багато операцій, що виконувались раніше людиною, передаються автоматам. Це, наприклад, підтримка заданої температури та вологості повітря в салоні автомобіля, автоматичне перемикання швидкості, вибір і підтримка оптимальної швидкості руху автомобіля. Контрольні питання
Рекомендована література 1. Проць Я. І., Ляшук О. Л. Савків В. Б., Шкодзінський О. К. Автоматизація виробничих процесів. Навчальний посібник для технічних спеціальностей вищих навчальних закладів. — Тернопіль: ТНТУ ім. І.Пулюя, 2011. — 344c. — ISBN 978-966-305-038-6 2. Борисенко О.А. Керуючі системи: навч. посібник.– К.: Центр навчальної літератури, 2004. - 216с. 3. Головко Т. Б., Скрипник Ю. О. Автоматика і автоматизація технологічних процесів: підручник. – К.: Либідь, 1997. – 232с. 4. Ситник В. Ф. Основи інформаційних систем: навч. посібник. –2-ге вид., перероб і доп. – К.: КНЕУ, 2001. – 376с. 5. Дубровська Г. М., Ткаченко А. П. Системи сучасних технологій:. навч. посібник / за ред. А. П. Ткаченко. – К.: Центр навчальної літератури, 2004. – 352с. 6. Мараховський В. І. Теорія інформації: конспект лекцій у двох частинах.– Суми: Вид-во СумДУ, 2008. – Ч. 1. – 191с. 7. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматичес-кого управления. – 4-е изд., переработ. и доп. – СПб.: Изд-во «Профессия», 2003. – 752с. 8. Вареина Л. И., Черпаков Б. И. Автоматизация и механизация производства. – М.: Академия, 2004. – 384с. 9. Олифер В. Г., Олифер Н. А. Основы компьютерных сетей: учебное пособие. – СПб.: Питер, 2009. – 352с. 10. Струтинський В. Б. Математичне моделювання процесів та систем механіки: підручник. – Житомир: ЖІТІ, 2001. – 612с. 11. Меньков В. А., Острейковский В. А. Теоретические основы автоматизированого управления: учебник для вузов. – М.: Оникс, 2005. – 640с.
|