_ТАУ Лекции Википедия. Теория управленияТеория управления
 Скачать 4.85 Mb.
|
|
Теория управления Теория управления — наука о принципах и методах управления различными системами, процессами и объектами. Теоретической базой теории управления являются кибернетика и теория информации. Суть теории управления состоит в построении на основе анализа данной системы, процесса или объекта такой абстрактной модели, которая позволит получить алгоритм управления ими в динамике, — для достижения системой, процессом или объектом состояния, которое требуется целями управления. Теория управления, как и любая другая наука, имеет свои предмет, функцию, цели, задачи и методы. При этом методы теории управления довольно сильно различаются в зависимости от области применения, — в кибернетике, прикладной математике, компьютерном программировании, социологии, политологии, правоведении, в экономике [1] Теория управления — это развивающаяся теория, особенно начиная с последних десятилетий XX века, когда её принципы оказались полезны при решении задач компьютерного моделирования различных систем, процессов и объектов, позволяющего существенно увеличить возможности автоматизации человеческого труда [2] Первое самоуправляемое устройство было построено Ктезибием из Александрии (примерно в 250 году до н. э.). Его водяные часы использовали сифон как регулятор потока воды. До этого изобретения считалось, что только живые существа способны модифицировать своё поведение в ответ на изменения в окружающей среде. История Следующим шагом в развитии саморегулирующихся систем управления с обратной связью стали термостат Корнелиуса Дреббеля (1572—1633), и центробежный регулятор паровой машины Джеймса Уатта (1736—1819). Математическая теория устойчивых систем с обратной связью была разработана в XIX веке. В связи с развитием паровых машин потребовались регуляторы, которые могли бы автоматически поддерживать установившийся режим их работы. Универсальность математических методов, полученных в данной теории, перевела её в область наук, занимающихся изучением абстрактных математических объектов, а не их конкретных технических реализаций. Родоначальником непосредственно «математической теории управления» можно считать Александра Михайловича Ляпунова — автора классической теории устойчивости движения (1892) [3]. Кибернетика установила, что управление присуще только системным объектам. Для них характерно понижение энтропии, направленность на упорядочение системы. Процесс управления можно разделить на несколько этапов: 1. Сбор и обработка информации. 2. Анализ, систематизация, синтез. 3. Постановка на этой основе целей. Выбор метода управления, прогноз. 4. Внедрение выбранного метода управления. 5. Оценка эффективности выбранного метода управления (обратная связь). Конечной целью теории управления является универсализация, а значит, согласованность, оптимизация и наибольшая эффективность функционирования систем. Методы управления, рассматриваемые теорией управления техническими системами и другими объектами, базируются на трёх фундаментальных принципах: 1. Принцип разомкнутого (программного) управления, 2. Принцип компенсации (управление по возмущениям) — такие системы управления применяются при ограниченном диапазоне изменений внешней среды, в зависимости от полноты информации о внешней среде системы управления по возмущениям могут обладать важным свойством: управление по возмущениям с полной информацией обеспечивает полную компенсацию воздействий внешней среды. Системы, в которых достигается полная компенсация, называются инвариантными. В них управляющее воздействие поступает в объект управления одновременно с воздействием внешней среды, нейтрализуя его. Однако в открытых системах предусмотреть все возможные возмущения затруднительно. Кроме того, функциональные зависимости между возмущающими и управляющими воздействиями могут быть неизвестны. Поэтому управление по возмущениям с неполной информацией приводит к накоплению ошибок. 3. Принцип обратной связи. Определение и задачи Методы управления Управление можно разделить на два вида: стихийный: воздействие происходит в результате взаимодействия субъектов (синергетическое управление); сознательный: планомерное воздействие объекта (иерархическое управление). При иерархическом управлении цель функционирования системы задается её надсистемой. Примеры современных методов управления: Нелинейное управление Теория катастроф Адаптивное управление Построение оптимальных робастных регуляторов Игровые методы в управлении Интеллектуальное управление При внедрении чего-нибудь нового всегда существует предрасположенность к возникновению революционной ситуации, когда «верхи не могут управлять по-новому, а низы не желают жить по-старому». Поэтому должен быть разработан также алгоритм переходного процесса, который обеспечил бы бесконфликтный переход систем к новому для них виду функционирования. Реализация желаемого алгоритма регулирования зависит от выбора структуры регулятора, поэтому алгоритм регулирования иначе называют законом регулирования. На данный момент уже выработано сравнительно небольшое количество типовых законов регулирования. В практике автоматизации производственных процессов применяются регуляторы с линейными унифицированными законами регулирования. [4][5] Наиболее известными и применяемыми являются следующие законы регулирования: Интегральные регуляторы (И-регуляторы) Пропорциональные регуляторы (П-регуляторы) Дифференциальные регуляторы (Д-регуляторы) Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ) Пропорционально-дифференциальный регулятор (ПД) Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД)[6] Одним из важнейших шагов при разработке системы регулирования после выбора регулятора является поиск оптимальных параметров его настройки. Эта задача называется оптимизацией АСР. Целью такой задачи является подбор таких параметров регулятора, при которых все отклонения регулируемой величины от заданого значения были бы минимальными. В идеальном случае для ступенчатого возмущения по каналу управления это такое же ступенчатое изменение регулируемой величины; для любого возмущения по каналу регулирования вообще не должно быть отклонения регулируемой величины. Внедрение выбранного метода управления Оптимизация АСР Однако инерционные свойства объекта регулирования и самого регулятора ограничивают возможности последнею. Из-за несвоевременного внесения регулирующего воздействия наблюдаются объективно обусловленные для конкретного объекта регулирования пределы — минимальное отклонение регулируемой величины, меньше которого регулятор не может обеспечить. Из этого следует, что задачей оптимизации является поиск таких параметров регулятора, которые обеспечивают максимальное приближение отклонения регулируемой величины к предельному минимальному, причем это минимально отклонение неизвестно до оптимизации. Сложность и трудоемкость оптимизации АСР в первую очередь зависит от закона регулирования и числа искомых настроечных параметров. Для П- и И-регуляторов задача динамической оптимизации является однопараметрической, для ПИ-регуляторов — двухпараметрической, а для ПИД-регулятора — трехпараметрической. В любом случае следует ожидать, что увеличение числа параметров регулятора преследует цель повышения качества его работы. [7] Имеются следующие наиболее общие подходы к теории управления: Процессный подход основывается на идее существования некоторых универсальных функций управления. Проектный подход основывается на идее управления изменениями от исходного состояния в целевое через управление мероприятиями, объединёнными целью. Системный подход сложился на базе общей теории систем: система — это некая целостность, состоящая из взаимозависимых подсистем, каждая из которых вносит свой вклад в функционирование целого. Ситуационный подход рассматривает любую организацию как открытую систему, постоянно взаимодействующую с внешней средой, следовательно, и главные причины того, что происходит внутри организации, следует искать вне её, то есть в той ситуации, в которой она реально функционирует. Универсальный подход сложился на базе научной школы универсологии, теории универсального управления, теории переходных процессов, теории относительности сознания, и рассматривает любую систему в совокупности её вертикальных и горизонтальных связей. С другой стороны, в бюллетене «В защиту науки», издаваемом Комиссией по борьбе с лженаукой и фальсификацией научных исследований при Президиуме РАН, универсология охарактеризована как лженаука [8] Субстратный подход, основанный на структурной оптимизации стратегии и принимаемых решений посредством выявления субстратов (ключевых моментов оптимизации) в значимых классах информационного контекста управленческой ситуации. Процесс построения такой структурно-субстратно-оптимальной стратегии называют структурной оптимизацией. Классификация 1. Корниенко Е. В., Шиндина Л. Д. Введение // Теория управления: Учебное пособие (http s://books.google.ru/books?id=eSalCgAAQBAJ&dq=теория+управления&hl=ru&source=gb s_navlinks_s). — Таганрог: Идатель С. А. Ступин, 2015. — С. 5—7. — 170 с. Архивная копия (https://web.archive.org/web/20220405152342/https://books.google.ru/books?id=eSal CgAAQBAJ&dq=%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F+%D1%83%D 0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F&hl=ru &source=gbs_navlinks_s) от 5 апреля 2022 на Wayback Machine 2. Емельянов С. В., Ильин А. В., Коровин С. К., Фомичев В. В., Фурсов А. С. Предисловие // Математические методы теории управления. Проблемы устойчивости, управляемости и наблюдаемости (https://books.google.ru/books?id=a_R3CwAAQBAJ&dq=теория+управ ления&hl=ru&source=gbs_navlinks_s). — Москва: Физматлит, 2014. — С. 5—6. — 200 с. — ISBN 978-5-9221-1544-5. Архивная копия (https://web.archive.org/web/20220405 152342/https://books.google.ru/books?id=a_R3CwAAQBAJ&dq=%D1%82%D0%B5%D0% BE%D1%80%D0%B8%D1%8F+%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%B B%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F&hl=ru&source=gbs_navlinks_s) от 5 апреля 2022 на Wayback Machine 3. В. М. Матросов, А. И. Маликов Развитие идей А. М. Ляпунова за 100 лет: 1892—1992 (ht tp://www.mathnet.ru/php/getFT.phtml?jrnid=ivm&paperid=4384&what=fullt&option_lang=ru s) (PDF) 4. Беляв Г. Б. Технические средства автоматизации в теплоэнергетике / Г. Б. Беляев, В. Ф. Кузищин, Н. И. Смирнов М.:Энергоиздат, 1982—320 с. 5. Панько М. А. Автоматизированное управление теплотехническими объектами. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник /М. А. Панько, Е. П. Стефани; под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. М.:Энергоатомиздат, 1991. — 624 с. 6. Ротач В. Я. Теория автоматического управления /В. Я. Ротач. М.: Издательство МЭИ, 2004 — 400с 7. Стефани Е. П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов /Е. П. Стефани, М., 1982. — 325 с 8. Сергеев, А. Г. Синекдоха отвечания, или Защита гомеопатическая (http://klnran.ru/wp-co ntent/uploads/2017/04/BVZN_19.pdf) // В защиту науки. — 2017. — № 19. — С. 90. Примечания Басовский Л. Е. Менеджмент: Учебное пособие. М., 2000. Виханский О. С., Наумов А. И. Менеджмент: Учебник. 1998. Герчикова И. Н. Менеджмент: Учебник. М., 2001. Коротков Э. М. Концепция менеджмента: Учебное пособие. М., 1998. Кнорринг В. И. Теория, практика и искусство управления. Учебник для вузов. М., 1999. Менеджмент: Учебник для вузов/Под ред. М. М. Максимцова, А. В. Игнатьевой. М., 2001. Менеджмент: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Ю. А. Цыпкина. М., 2001. Михайлов В. С. Теория управления. — Киев: Выща школа. Головное издательство, 1988.. — 312 с; 26 табл., 80 ил. — Библиогр.: 35 назв. ISBN 5-11-001791-3 Бесекерский В. А., Попов, Е. П. Теория систем автоматического регулирования. — СПб.: Профессия, 2004. — 749 с. ISBN 5-93913-035-6. Мирошник И. В., Никифоров, В. О., Фрадков А. Л. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами. — СПб.: Наука, 2000. — 548 с. — (Сер.: Анализ и синтез нелинейных систем). ISBN 5-02-024872-X Тюкин И. Ю., Терехов В. А. Адаптация в нелинейных динамических системах (http://lib.si bnet.ru/book/9736) — Санкт-Петербург: ЛКИ, 2008. — 384 с. — (Серия: Синергетика: от прошлого к будущему) — ISBN 978-5-382-00487-7 Новиков Д. А. Теория управления организационными системами. (http://www.mtas.ru/se arch/search_results.php?publication_id=2829) 2-е изд. — М.: Физматлит, 2007. — 584 с. ISBN 5-89502-766-0 Румянцев А.А. Эффективное управление: принятие обоснованных и оптимальных решений, интеллект и логика. — ООО «Контраст», Краматорск, 2003 год. — С. 32. Философия управления обществом, провинцией, фирмой в этнокультурном и реформационном аспектах в теории и методологии субстратного подхода / Отв. ред. А. А. Гагаев, А. А. Румянцев. — Саранск, 2009 год. — С. 79, 324, 340, 366. — 696 с. — 150 экз. — ISBN 978-5-98344-094-4. Нуров К. И. Общая теория управления. — Алматы.: Аспандау, 2016—460 с. ISBN 978- 601-8021-33-6 Литература Теория автоматического управления Теория автоматического управлени (ТАУ) — научная дисциплина, которая изучает процессы автоматического управления объектами разной физической природы. При этом при помощи математических средств выявляются свойства систем автоматического управления и разрабатываются рекомендации по их проектированию. Является составной частью технической кибернетики и предназначена для разработки общих принципов автоматического управления, а также методов анализа (исследования функционирования) и синтеза (выбора параметров) систем автоматического управления (САУ) техническими объектами. История Основные понятия Функциональные схемы Принципы управления САУ Классификация САУ Интеллектуальные САУ Математические модели линейных САУ Детерминированные Статистические Адаптивные Виды воздействий. Переходная, весовая, передаточная функции Передаточная функция соединения звеньев Последовательное соединение Параллельное соединение Передаточная функция замкнутой системы Получение передаточной функции в пространстве состояний Линеаризация систем и звеньев Управляемость, наблюдаемость САУ Устойчивость линейных систем Критерии устойчивости Критерий Рауса Критерий Гурвица Критерий Михайлова Критерий Найквиста Запас устойчивости САУ Критерии Сравнительная характеристика критериев устойчивости Примечания Литература Содержание Для этой теории имеет значение только характер [1] преобразований сигналов объектами управления. Впервые сведения об автоматах появились в начале нашей эры в работах Герона Александрийского «Пневматика» и «Механика», где описаны автоматы, созданные самим Героном и его учителем Ктесибием: пневмоавтомат для открытия дверей храма, водяной орган, автомат для продажи святой воды и др. Идеи Герона значительно опередили свой век и не нашли применения в его эпоху. В Средние века значительное развитие получила имитационная «андроидная» механика, когда конструкторы- механики создали ряд автоматов, подражающих отдельным действиям человека, и, чтобы усилить впечатление, изобретатели придавали автоматам внешнее сходство с человеком и называли их «андроидами», то есть человекоподобными. В настоящее время подобные устройства называют роботами, в отличие от широко распространенных во всех сферах человеческой деятельности устройств автоматического управления, которые называют автоматами. В XIII веке немецкий философ-схоласт и алхимик Альберт фон Больштадт построил робота для открывания и закрывания дверей. История Весьма интересные андроиды были созданы в XVII—XVIII веках. В XVIII веке швейцарские часовщики Пьер Дро и его сын Анри создали механического писца, механического художника и др. Прекрасный театр автоматов был создан в XVIII в. русским механиком-самоучкой Кулибиным. Его театр, хранящийся в Эрмитаже, помещен в «часах яичной фигуры». В зачаточном виде многие положения теории автоматического управления содержатся в Общей теории (линейных) регуляторов, которая была разработана, в основном, в 1868—1876 годы в работах Максвелла и Вышнеградского. Основополагающими трудами Вышнеградского являются: «Об общей теории регуляторов», «О регуляторах непрямого действия». В этих работах можно найти истоки современных инженерных методов исследования устойчивости и качества регулирования. Решающее влияние на развитие отечественной методологии исследований теории автоматического управления сыграли работы выдающегося советского математика Андрея Маркова (младшего), основоположника советской конструктивистской школы математики, автора работ по теории алгоритмов и математической логике. Эти исследования нашли применение в научной и практической деятельности академика Лебедева по военной тематике — автоматах управления торпедами и наведения орудий и устойчивости крупных энергосистем. К началу XX века и в первом его десятилетии теория автоматического управления формируется как общенаучная дисциплина с рядом прикладных разделов. Автоматика — отрасль науки и техники, охватывающая теорию и практику автоматического управления, а также принципы построения автоматических систем и образующих их технических средств. Объект управления (ОУ) — устройство, физический процесс либо совокупность процессов, которыми необходимо управлять для получения требуемого результата. Взаимодействие с ОУ происходит путём подачи на его условный вход управляющего воздействия (которое корректирует процессы протекающие в ОУ), при этом на выходе получается изменённый параметр (который является процессом-следствием). Управление — воздействие (сигнал), подаваемое на вход объекта управления и обеспечивающее такое протекание процессов в объекте управления, которое обеспечит достижение заданной цели управления на его выходе. Цель — желаемое протекание процессов в объекте управления и получение нужного изменения параметра на его выходе. Объекты: управляемые неуправляемые Система автоматического управления (САУ) включает в себя объект управления и устройство управления Устройство управления (УУ) — совокупность устройств, с помощью которых осуществляется управление входами объекта управления. Регулирование — частный случай управления, цель которого заключается в поддержании на заданном уровне одного или нескольких выходов объекта управления. Регулятор — преобразует ошибку регулирования ε(t) в управляющее воздействие, поступающее на объект управления. Задающее воздействие g(t) — определяет требуемый закон регулирования выходной величины. Ошибка регулирования ε(t) = g(t) — y(t), разность между требуемым значением регулируемой величины и текущим её значением. Если ε(t) отлична от нуля, то этот сигнал поступает на вход регулятора, который формирует такое регулирующее воздействие, чтобы в итоге с течением времени ε(t) = 0. Возмущающее воздействие f(t) — процесс на входе объекта управления, являющийся помехой управлению. Системы автоматического управления: Разомкнутые: система программного управления. УУ выдает управляющее воздействие, не получая информации о состоянии системы на основании каких-либо признаков, временной программы (простота и |