лекция АПП. Тема введение в теорию управления золотая узда не сделает клячу рысаком
 Скачать 1.01 Mb.
|
|
1 ОСНОВЫ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ Тема 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ УПРАВЛЕНИЯ Золотая узда не сделает клячу рысаком. Луций Анней Сенека. Римский писатель, философ-стоик. I в.н.э. Отсюда следует, что никакая самая совершенная система управления не способна на чудеса. Купите рысака, лекарство для клячи обойдется дороже. Владислав Микшевич. Уральский геофизик, ХХ в. Содержание Введение. 1. Предисловие к теории управления. Процессы и сигналы. Типы сигналов. Кибернетический блок. Кибернетическая система. 2. Основные понятия теории управления. Управление и системы управления. Главные элементы про- цесса управления. Управляющее воздействие. Структурная схема системы управления. Цель управления. Блок управ- ления. Основные задачи теории управления. Активные и пассивные системы. Субъекты и объекты управления. Опе- рация управления. Методы управления. Управляющие параметры. Пространство состояний объекта управления. 3. Классификация систем управления. Принципы управления. Методы классификации систем. Клас- сификация систем по свойствам в установившемся режиме. Классификация по характеру работы функциональных уз- лов. По степени использования информации. Классификация по типам управления. Классификация по алгоритмам функционирования. 4. Организационно-экономические системы управления. Производственно-экономические и орга- низационные системы. Виды организаций. Функциональная структура организаций. Структура управления. Адаптив- ные организационные структуры. Функционирование управленческих структур. Управленческая ответственность. Схемы управления. Социометрические исследования. ВВЕДЕНИЕ Теория управления – это наука, разрабатывающая и изучающая методы и средства систем управления и закономерности протекающих в них процессах. Предметом теории управления яв- ляются не только процессы материального производства, но и сферы деятельности человека: орга- низационно-административное управление, проектирование и конструирование, информационное обслуживание, здравоохранение, научные исследования, образование, и многие другие. Теория управления как научное направление сложилась в ХХ веке на базе теории автоматического регули- рования, которая начала интенсивно развиваться в 19 веке в связи с потребностью в регуляторах, поддерживающих устойчивый режим работы внедрявшихся паровых машин в промышленности и на транспорте. Современная теория управления занимает одно из ведущих мест в технических науках и в то же время относится к одной из отраслей прикладной математики, тесно связанной с вычисли- тельной техникой. Теория управления на базе математических моделей позволяет изучать динами- ческие процессы в автоматических системах, устанавливать структуру и параметры составных частей системы для придания реальному процессу управления желаемых свойств и заданного ка- чества. Она является фундаментом для специальных дисциплин, решающих проблемы автомати- зации управления и контроля технологических процессов, проектирования следящих систем и ре- гуляторов, автоматического мониторинга производства и окружающей среды, создания автоматов и робототехнических систем. Основными задачами теории управления являются задачи анализа динамических свойств автоматических систем на модельном или физическом уровне, и задачи синтеза алгоритма управ- ления, функциональной структуры автоматической системы, реализующей этот алгоритм, ее пара- метров и характеристик, удовлетворяющих требованиям качества и точности, а также задачи авто- матического проектирования систем управления, создания и испытания автоматических систем. Предметом настоящего краткого курса являются основы теории управления материальными объектами и технологическими процессами, принципы организации, функционирования и проек- тирования технических и информационных систем управления в материальном производстве. В современных условиях управление различного ряда технологическими и техническими процесса- ми осуществляется, как правило, с использованием ЭВМ, получивших название управляющих вы- числительных машин. Проектирование систем управления, имеющих в своем контуре ЭВМ, носит специфический характер и невозможно без знания принципов и методов теории управления. Методы и средства систем управления в сфере деятельности человека приводятся только на уровне понятий для общей ориентировки. 2 1.1. ПРЕДИСЛОВИЕ К ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ [1]. Процессы и сигналы. Динамическим процессом, или движением, называют развитие во времени некоторого процесса или явления - движение механизма, тепловое явление, экономиче- ские процессы. Процессы сопровождаются информационными сигналами – вторичными процес- сами, несущими информацию о рассматриваемом явлении. Сигналы, как и порождающие их процессы, существуют вне зависимости от наличия изме- рителей или присутствия наблюдателя. При рассмотрении сигнала принято различать его инфор- мационное содержание о первичном процессе и физическую природу вторичного процесса - носи- теля информации. В зависимости от физической природы носителя выделяют акустические, опти- ческие, электрические, электромагнитные, и пр. сигналы. Природа физического носителя может не совпадать с природой первичного процесса. Так, слиток металла может разогреваться электромаг- нитным излучением, а температура слитка регистрироваться по инфракрасному излучению. В теории управления сигнал рассматривается с кибернетических позиций и отождествляет- ся с количественной информацией об изменении физических переменных изучаемого процесса безотносительно к природе, как первичного процесса, так и носителя сигнала. При этом учитыва- ется, что реальный сигнал может не содержать всей информации о развитии физического явления, равно как и содержать постороннюю информацию. На информационное содержание сигналов ока- зывают влияние способы их кодирования, шумы и эффекты квантования. В зависимости от способа кодирования различают аналоговые и цифровые сигналы. Для аналоговых сигналов их значение (интенсивность какого-либо параметра физического носителя) пропорционально значениям изучаемой физической переменной. В цифровых сигналах информа- ция представлена в виде чисел в определенной кодовой форме, например, в форме двоичных ко- дов. Вопрос адекватности сигнальной информации рассматриваемой физической переменной свя- зан с понятиями идеального и реального сигнала. Идеальный сигнал тождественен некоторой физической переменной x(t), в то время как реальный сигнал x'(t) содержит шумы измерения или помехи (t) и отображается в виде: x'(t)=x(t)+(t). С реальным сигналом связаны задачи иден- тификации (оценивания) динамических процессов x(t) по текущим измерениям x'(t), вопросы фильтрации, сглаживания и прогнозирования. Типы сигналов. Информационное содержание сигнала зависит и от эффектов квантования. По характеру изменения во времени, процессы и сигналы подразделяются на непрерывные и дис- кретные. К последним, в свою очередь, относятся процессы, квантованные по уровню, и процессы, квантованные по времени. Развитие процесса непрерывного времени характе- ризуется переменной x(t), принимающей произвольные значения из числовой области X и определенной в любые моменты времени t > t o (рис. 1.1.1-а). К непрерывным процессам относятся непрерывное механическое движе- ние, электрические и тепловые процессы, и т.п. Развитие дискретного квантованного по уровню процесса характеризуется переменной x(t), принимающей строго фиксированные значения и опре- деленной в любые моменты времени (рис. 1.1.1-б). В практических случаях можно полагать x i = i, i = 0, 1, 2,..., где приращение, или дискрета. В тех случаях, когда число состояний i доста- точно велико или приращение мало, квантованием по уровню пренебрегают. Развитие дискретного квантованного по време- ни процесса (процесса дискретного времени) характе- ризуется переменной x(t), принимающей произволь- ные значения и определенной в фиксированные мо- менты времени t i , где i = 0, 1, 2,... (рис. 1.1.2-а). Как правило, квантование осуществляется с постоянным интервалом квантования Т, т. е. t = iТ, i = 0, 1, 2,... К дискретным процессам такого рода относятся процессы в цифровых вычислительных устройствах с тактовой частотой процессора f=1/Т, процессы в цифровых системах управления, где дискретность по времени обусловлена циклическим характером обработки информации (Т - время обновления информации на выходе управляющей ЭВМ). При достаточно малых интервалах Рис. 1.1.1. Рис. 1.1.2. 3 Т дискретностью по времени пренебрегают, и квантованный по времени процесс относят к про- цессам непрерывного времени. К дискретным относят также кусочно-постоянные процессы и сигналы, которые характери- зуются переменной x(t), изменяющейся в фиксированные моменты времени t i (рис. 1.1.2-б). Кибернетический блок - это блок, для которого установлены причинно-следственные свя- зи между входными и выходными сигналами. Выходной сигнал блока x 1 (t) несет информацию о внутреннем процессе, причиной которого является входной сигнал x 2 (t). Использование блока не требует знания его устройства и физической природы происходящих в нем процессов ("черный ящик"). В зависимости от числа входных и выходных сигналов различают одноканальные блоки (один вход, один выход), и многоканальные с несколькими входными и выходными сигналами. Блоки, у которых отсутствуют входные сигналы, называются автономными. По типу сигналов различают непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные блоки. Для описания кибернетического блока используется одна из форм аналитического описания связи входных и выходных сигналов - дифференциальные и разностные уравнения, автоматные ал- горитмы и проч., т. е. выражения вида x 1 (t) = F(x 2 (t)), (1.1.1) где F( * ) - функциональный оператор. Для простейших блоков такое описание может быть получено в виде алгебраического или трансцендентного уравнения: x 1 = f(x 2 ), (1.1.2) где f( * ) - функция. Пример. Имеем электронагрева- тельную печь, температура в которой t o регулируется нагревателем (рис. 1.1.3-а). Входным сигналом этого блока является напряжение нагревателя x 2 (t) = U(t), а вы- ходным - температура x 1 (t) = t o (t). Связь выхода и входа описывается функцио- нальным оператором (дифференциальным уравнением): T dx 1 (t)/dt + x 1 (t) = x 2 (t), где Т - постоянная времени. Если напряжение нагревателя постоянно, т. е. х 2 = U = const, и x 1 (0) = 0, то вы- ходная переменная находится как (рис. 1.1.3) x 1 (t) = K(1-exp(-t/T))x 2 (t). В установившемся режиме, после окончания переходных процессов в печи (при t →∞), связь выходного и входного сигналов описывается простейшим алгебраическим уравнением вида (1.1.2), т. е.: x 1 = Kx 2 , где К - коэффи- циент передачи на выходной результат входного воздействия (в данном случае – температура/вольт). Аналогичные выражения для описания связей входных и выходных переменных получаются для электриче- ской RC-цепи (рис. 1.1.3- б). Здесь x 1 (t) = U вых (t) - выходное напряжение схемы, x 2 (t) = U вх (t) — входное напряжение, Т = RC и К = 1. С понятием кибернетического блока связаны следующие задачи: • идентификация - нахождение выражения (1.1.1), связывающего сигналы x 2 (t) и x 1 (t); • управление - определение входного сигнала x 2 (t), обеспечивающего получение заданного выходного сигнала x 1 (t) в предположении, что описание блока задано. Кибернетическая система - это совокупность кибернетических блоков, связанных меж- ду собой информационными каналами. Связи между блоками носят сигнальный характер. Для описания системы необходимо получить аналитические зависимости, описывающие каждый из блоков в отдельности, и связи между ними. После преобразований может быть получе- но общее (эквивалентное) описание системы как составного кибернетического блока с входным и выходным сигналом. В зависимости от числа входных и выходных сигналов различают однока- нальные и многоканальные системы. По типу сигналов и блоков в системе различают непрерывные, дискретные и дискретно- непрерывные системы, причем последние содержат как непрерывные, так и дискретные блоки. Для кибернетической системы можно определить следующие задачи: • анализ системы, т. е. определение связи между ее входом и выходом в виде алгебраиче- ского или дифференциального уравнения, а также нахождение показателей качества системы (бы- стродействия, точности и пр.); • управление, или синтез системы, т. е. нахождение блоков и связей между ними, обеспечи- Рис. 1.1.3. 4 вающих получение заданной связи входных и выходных сигналов и показателей качества. Наиболее распространенным типом дискретно-непрерывных систем являются цифровые системы, в состав которых входят цифровые вычислительные устройства - ЭВМ и цифровые кон- троллеры. 1.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ [1, 2, 5, 6, 7, 14]. Управление и системы управления Центральными в теории управления являются понятая управления и системы управления. Управление - это такая организация того или иного процесса, которая обеспечивает дости- жение определенных целей. Это целенаправленное воздействие на управляемый объект (процесс), приводящее к заданному изменению его состояния или удержанию в заданном состоянии. Управ- ление должно обеспечивать целевое протекание технологических процессов преобразования энер- гии, вещества и информации, поддержание оптимальной работоспособности и безаварийности функционирования объекта путем сбора и обработки информации о состоянии объекта и внешней среды, выработки решений о воздействии на объект и их исполнении. Процесс управления подра- зумевает наличие умения и способности создавать целенаправленное воздействие на объект. Алгоритм управления, это инструкция о том, как добиваться поставленных задач (целей) управления в различных ситуациях. Система управления – это множество взаимосвязанных элементов, участвующих в про- цессе управления. Пусть состояние объекта управления описывается переменной y Y, где Y - множество возможных состояний объекта. Значение 'y' зависит от управляющих воздействий на объект u U и возмущающих (дестабилизирующих) воздействий x ∈ X, при этом y = G(u, х), где G(u, х) – функция реакции объекта на управляющие и возмущающие воздействия. Предположим, что на множестве {U х Y} задан функционал F(u, y), определяющий эффективность работы системы. Ве- личина K(u) = F{u, G(u, х)} называется эффективностью управления. Задача управляющего органа заключается в выборе такого воздействия u, которое максимизировало бы значение его эффектив- ности. В простейшем случае, когда управление задается обычной функциональной зависимостью y = f(u, х), объект называют статическим, а зависимость или ее графическое изображение - стати- ческой характеристикой объекта. Если объект обладает инерцией, то изменение координат под воздействием возмущений Х или управлений U происходит не мгновенно, и в этом случае объект называют динамическим. Величины Y, U, X в динамических объектах связаны дифференциальны- ми, интегральными или разностными уравнениями. Главные элементы процесса управления можно выделить на основе анализа приведен- ного выше примера с электронагревательной печью. 1. Получение информации о задачах управления – задание температуры, которая должна поддерживаться в печи. 2. Получение информации о результатах управления - измерение температуры в печи. 3. Анализ полученной информации и выработка решения – сравнение фактической тем- пературы в печи с заданной и выработка сигнала управления нагревателем. 4. Исполнение решения - т. е. осуществление управляющих воздействий на нагреватель пе- чи (включение или выключение нагревателя в дискретном варианте управления, или соответст- вующее изменение тока через нагреватель в непрерывном варианте). В соответствии с этим для организации процесса управления необходимо иметь источники информации о задачах управления и результатах управления, устройство для анализа полученной информации и выработки решения, и исполнительное устройство, осуществляющие управление объектом. Управляющее воздействие. В организации управления решающую роль играет получе- ние информации о результатах управления. Текущее управляющее воздействие формируется на основе оценки результатов от предшествующих воздействий. Принцип управления с использова- нием информации о результатах управления называется принципом обратной связи или управле- нием по замкнутому циклу. Однако в некоторых случаях принцип обратной связи использовать не удается из-за практи- ческой невозможности получить информацию о результатах управления. Так, например, в ряде случаев заранее известен требуемый закон изменения состояния объекта управления, например, от времени. В таком случае с учетом этого закона можно задать соответствующий закон изменения 5 управляющего воздействия на объект управления. Такое управление называется программным или управлением по разомкнутому циклу. Если управление выполняются устройствами без непосредственного участия человека, то система управления называется автоматической. Пример системы – управление самолетом в ре- жиме автопилота. Если задачей управления является обеспечение некоторой постоянной физиче- ской величины, то такой вид управления называется регулированием, а устройство, реализующее управление, называют регулятором. Если решения об управляющих воздействиях принимаются людьми, а автоматическое устройство используется только для сбора, обработки и представления информации и для сравнительного анализа возможных вариантов решения, то система управления называется автоматизированной. |