система чтения информации с диска

П

Этот пример синтеза, обозначенный значком стрелки, будет последовательно рассматриваться в каждой главе. При этом мы будем следовать процедуре синтеза, изображенной на рис. 1.19. Например, в гл. 1 мы рассмотрели этапы 1- 4 данной процедуры, где мы (1) установили цель управления, (2) указали переменные, на которые необходимо воздействовать, (3) сформулировали ограничения, накладываемые на эти переменные, и (4) сделали набросок конфигурации системы.

Информация обычно легко накапливается на магнитных дисках. Составной частью портативных и более крупных компьютеров различных модификаций являются дисководы. В 1996 г. во всём мире согласно оценке было продано порядка 100 млн дисководов. Схематическое изображение дисковода представлено на рис. 1.24. Целью системы управления является позиционирование считывающей головки на определенной дорожке диска (этап 1). Переменная, которой нужно управлять с высокой точностью (этап 2), — это положение считывающей головки, закрепленной на конце рычага. Диск вращается со скоро-

Рис. 1.24 Схема дисковода

Поворот Исполни- рычага тельный двигатель

Ось

Дорожка а 'Дорожка b Перемещаемая

 

стью от 1800 до 7200 об/мин, а головка плавает над диском на расстоянии менее 100 нм. Исходное требование к точности позиционирования (этап 3) составляет 1 мкм. Кроме того, мы хотели бы, если это возможно, чтобы перемещение от дорожки а к дорожке b совершалось не более чем за 50 мс. Таким образом, мы выбираем исходную конфигурацию системы в виде рис. 1.25. В данной замкнутой системе для перемещения рычага со считывающей головкой в заданное положение относительно диска будет использован электродвигатель. Процедура синтеза этой системы будет продолжена в главе 2.

Действительное положение головки

Желаемое +/•	Ошибка J > ,	Управляющее устройство	—— *	Исполнительный двигатель и рычаг с головкой	д —— I
положение, головки
			4 ———————————————
Датчик

Рис. 1.25. Замкнутая система управления дисководом

Упражнения

(Упражнения являются простым применением основных понятий главы к практическим ситуациям.)

Следующие системы могут быть представлены в виде функциональных схем, показывающих причинно-следственные связи между переменными и обратную связь (если она существует). Определите назначение каждого блока, а также входную, выходную и измеренную переменные. При необходимости используйте модель, представленную на рис. 1.9.

У-1.1. Прецизионный источник оптического сигнала способен устанавливать мощность излучения с точностью до 1%. Выходная мощность источника (лазера) определяется входным током, который, в свою очередь, формируется микропроцессором. Микропроцессор сравнивает желаемый уровень мощности с действительным, информацию о котором содержит сигнал с выхода датчика. Дополните функциональную схему замкнутой системы, представленной на рис. 1.1 (У), указав, что является входной, выходной, измеренной переменной, а также управляющим устройством.

У-1.2. Водитель автомобиля является частью системы управления, которая должна обеспечивать заданную скорость движения. Изобразите соответствующую данному случаю функциональную схему замкнутой системы управления.

 

У-1.3. Ужение на муху — это спортивное состязание, при котором участник забрасывает небольшую муху с помощью удилища и лески. Цель заключается в том, чтобы забросить муху точно в заданную точку на поверхности реки. Разработайте модель забрасывания мухи.

У-1.4. Поскольку парусная яхта не может двигаться непосредственно по ветру (ее движение в этом направлении обычно очень медленное), то кратчайший маршрут гонки редко представляет собой прямую линию. Поэтому яхтсмены попеременно перекладывают парус, переходя на другой галс, в результате движение имеет хорошо знакомый зигзагообразный характер. Исход гонки, таким образом, зависит от правильных тактических решений — когда именно и насколько надо изменить галс.

Опишите процесс изменения курса яхты в зависимости от изменения направления ветра. Изобразите функциональную схему, отражающую этот процесс.

У-1.5. В наступившем столетии, по-видимому, получат распространение автоматизированные автострады. Рассмотрите случай, когда две таких дороги сливаются в одну, и опишите, как должна работать система управления, обеспечивающая выезд автомобилей с двух дорог на одну с заранее установленным интервалом между машинами.

У-1.6. Изобразите функциональную схему системы управления скоростью движения автомобиля, одним из элементов которой является водитель.

У-1.7. Опишите процесс биологической обратной связи в организме человека, с помощью которого он может в известной степени сознательно регулировать частоту пульса, реакцию на болевые ощущения и температуру тела.

Задачи

 

(Задачи связаны с применением основных понятий главы к новым ситуациям.)

Следующие ниже системы могут быть представлены в виде функциональных схем, отражаю щих причинно-следственные связи между элементами и обратную связь (если она присутствует) Каждый блок должен соответствовать функциональному назначению элемента. При необходимо сти используйте в качестве модели схему на рис. 1.9.

3-1.1. Многие автомобили высшего класса оснащаются автоматическими системами кондиционирования воздуха для создания пассажирам комфортных условий. Изобразите функциональную схему такой системы, в которой значение желаемой температуры в салоне устанавливается водителем на приборном щитке. Установите функциональное назначение каждого элемента системы.

3-1.2. В прошлом одним из элементов замкнутых систем управления являлся человек-оператор. Изобразите функциональную схему системы управления потоком жидкости, представленной на рис. 1.2 (3).

 

3-1.3. В химической технологии очень важно уметь управлять составом продукта. Чтобы это сделать, необходимо производить измерение состава с помощью анализатора, использующего инфракрасное излучение, как показано на рис. 1.3 (3). Вентилем в канале дополнительного потока можно управлять. Дополните рисунок обратной связью и изобразите функциональную схему, иллюстрирующую работу контура управления.

3-1.4. На атомных электростанциях важное значение имеет управление ядерным реактором. Считая, что количество нейтронов в активной зоне пропорционально уровню мощности, для измерения последнего используется ионизационная камера. Ток ионизационной камеры i'₀ пропорционален уровню мощности. Положение графитовых регулирующих стержней позволяет поддерживать заданный уровень мощности. Дополните обратной связью систему управления ядерным реактором [рис. 1.4 (3)] и изобразите функциональную схему данной системы.

3-1.5. На рис. 1.5 (3) изображена система управления, предназначенная для слежения за положением Солнца. На выходной оси, которая приводится во вращение с помощью электродвигателя через червячный редуктор, находится пластина с закрепленными на ней двумя фотоэлементами. На каждый фотоэлемент попадает одинаковый световой поток, когда источник света расположен точно посредине, как показано на рисунке. Дополните систему обратной связью так. чтобы она непрерывно отслеживала изменение положения источника света.

Рис. 1.5 (3) Система слежения за источником света

 

3-1.6. В системах с обратной связью последняя не всегда является отрицательной. Экономическая инфляция, признаком которой служат непрерывно растущие цены, может быть представлена в виде системы с положительной обратной связью, как показано на рис. 1.6 (3). В этой системе сигнал обратной связи складывается со входным сигналом, а результирующий сигнал поступает на вход объекта управления. Это — простая модель инфляционной спирали цены-зар-плата. Чтобы стабилизировать систему, введите дополнительные обратные связи, учитывающие, например, законодательное регулирование или регулирование налоговых ставок. Предполагается, что рост зарплаты трудящихся после некоторой временной задержки приводит к росту цен. При каких условиях можно было бы стабилизировать цены путем фальсификации или сокрытия данных о стоимости жизни? Как на данную систему с обратной связью могла бы повлиять общегосударственная экономическая политика в области цен и зарплаты?

3-1.7. Рассказывают историю об одном сержанте, который каждое утро в 9 часов останавливался перед ювелирным магазином, сверял свои часы с показаниями хронометра в витрине и подводил их. Наконец, однажды он вошел в магазин и похвалил владельца за точность его хронометра.

— Наверное, вы устанавливаете его по сигналам точного времени из Арлингтона? — спросил сержант.

— Нет, — ответил владелец, — я устанавливаю его ежедневно в 5 часов вечера по выстрелу пушки в форте. А скажите мне, сержант, почему вы каждый день останавливаетесь перед витриной и проверяете свои часы?

—А я служу артиллеристом в форте! — отреагировал сержант.

Какая в данном случае преобладает обратная связь — положительная или отрицательная?

Хронометр в витрине каждые сутки отстаёт на 2 минуты, а часы сержанта за 8 часов отстают

на 3 минуты. Чему будет равна чистая ошибка по времени выстрела пушки в форте спустя 12

дней?

3-1.8. Процесс обучения, участниками которого являются студент и преподаватель, характеризуется наличием обратной связи, в результате чего ошибка должна быть сведена к минимуму. На основе рис. 1.3 постройте модель процесса обучения и определите назначение каждого блока системы.

3-1.9. Специалистам медицинских профессий существенную помощь оказывают модели физиологических систем управления. Одна из них — система улравлени^ частотой сердечных сокращений — приведена на рис. 1,9 (3). Эта модель включает в себя обработку мозгом нервных

 

импульсов. Фактически, она представляет собой систему со многими перемеными, т. е. х, у, w, v, z и и — это векторные переменные. Иными словами, переменная х образована компонентами Х|, х₂,.... х_п, характеризующими деятельность сердца. Проанализируйте предложенную модель и, если необходимо, добавьте или удалите некоторые блоки. Разработайте модель одной из следующих физиологических систем управления:

1. Система управления дыханием.

2. Система управления содержанием адреналина.

3. Система управления движением рук.

4. Система управления зрением.

5. Система управления деятельностью поджелудочной железы и содержанием сахара в крови.

6. Система управления кровообращением.

3-1.10. По мере увеличения интенсивности полетов возрастает роль систем управления авиарейсами. Во избежание столкновения самолетов в воздухе разрабатываются системы управления полетами, в основе которых лежит спутниковая навигационная система GPS (Global Positioning System — глобальная система определения положения). GPS дает возможность каждому самолету точно определять свое положение в воздухе на этапе приземления. Приведите вариант функциональной схемы, описывающей, как диспетчер полетов может использовать GPS с целью избежания столкновения самолетов.

Поплавок

3-1.11. Автоматическое управление уровнем воды использовалось на Ближнем Востоке для создания водяных часов. Эти часы [рис. 1.11 (3)]находили применение с начала новой эры и до 17-го века. Поясните принцип действия водяных часов и то, как поплавок в качестве элемента обратной связи обеспечивает точность отсчета времени. Изобразите структурную схему системы с обратной связью.

Рис. 1.11 (3).Водяные часы

3-1.12. Автоматический поворотный механизм для ветряных мельниц был изобретен Мейкле около 1750 г. Подобное устройство показано на рис. 1.12 (3). Малое ветряное колесо, установленное под правильным углом к основному колесу, автоматически поворачивает турель навстречу ветру. Передаточное число редуктора составляет порядка 3000: 1. Проанализируйте действие ветряной мельницы и попытайтесь обнаружить обратную связь, за счет которой основное колесо постоянно поворачивается навстречу ветру.

Рис. 1.12 (3)

Поворотный механизм Малое ветряное
ветряной мельницы колесо

3-1.13. Типичным примером системы управления с двумя входами является бытовой смеситель с отдельными кранами для горячей и холодной воды. Он предназначен для получения (1) желаемой температуры воды на выходе и (2) желаемого расхода воды. Изобразите функциональную схему замкнутой системы управления указанными двумя переменными.

3-1.14. Адам Смит (1723-1790) в своей книге «Богатство народов» рассмотрел проблему свободной конкуренции между участниками экономического процесса. Можо сказать, что он для объяснения своей теории использовал механизм социальной обратной связи. Смит пришёл к заключению, что (1) работники сравнивают различные возможные предложения и нанимаются туда, где они могут получить наибольшее вознаграждение за труд, и (2) что на любом предприятии вознаграждение уменьшается с ростом числа конкурирующих рабочих. Пусть г — суммарное количество выплачиваемых денег, усредненное по всем видам деятельности, с — суммарные выплаты в отдельно взятой отрасли, a q — приток рабочих в эту отрасль. Представьте этот процесс в виде системы с обратной связью.

3-1.15. В автомобилях используются небольшие компьютеры, позволяющие управлять выбросом выхлопных газов и оптимизировать расход горючего. Система управляемой компьютером ин-жекции горючего, которая автоматически устанавливает соотношение бензина и воздуха в цилиндрах, позволяет улучшить показатель расхода горючего на километр пути и значительно снизить нежелательный выброс выхлопных газов в окружающую среду. Изобразите функциональную схему данной системы.

3-1.16. Все люди испытывают высокую температуру, которой сопровождается болезнь. Это связано с изменением управляющего сигнала на входе системы терморегуляции организма. Эта система, находящаяся внутри мозга, в нормальных условиях поддерживает температуру тела в районе 36,6 °С, несмотря на изменение температуры окружающей среды в диапазоне от -18 до +38 °С(или даже большем). В случае болезни входной сигнал системы, или желаемое значение температуры, увеличивается. Однако многие ученые часто не понимают, что повышение температуры не есть признак того, что что-то разладилось в системе терморегуляции, а всего лишь следствие того, что в хорошо отрегулированной системе просто увеличилось значение входного сигнала. Изобразите функциональную схему системы терморегуляции человека и поясните, как прием аспирина может помочь сбить температуру.

3-1.17. Игроки в бейсбол используют обратную связь, чтобы оценить полет мяча и попасть в подающего. Опишите метод, используемый отбивающим для того, чтобы он на основании оценки положения подающего мог правильно нацелить биту и ударить мяч.

3-1.18. На рис. 1.18 (3) показан в разрезе широко распростаненный регулятор давления. Желаемое давление устанавливается поворотом откалиброванного винта. Винт сжимает пружину и определяет силу, которая стремится выпрямить диафрагму вверх. Нижняя часть диафрагмы под-

Рис. 1.18 (3) Регулятор давления

 

вергается давлению воды, которое должно регулироваться. Таким образом, перемещение диафрагмы соответствует разности между желаемым и действительным давлением, т. е. диафрагма играет роль компаратора. С диафрагмой соединен клапан, который перемещается в зависимости от разности давлений до тех пор, пока эта разность не станет равна нулю. Изобразите функциональную схему образовавшейся замкнутой системы, в которой регулируемой переменной является давление воды на выходе.

3-1.19. Ихиро Масаки из корпорации Дженерал Моторс запатентовал систему, которая автоматически регулирует скорость движения автомобиля так, чтобы поддерживать безопасное расстояние от впереди идущей машины. Эта система с помощью видеокамеры определяет и запоминает эталонное изображение автомобиля, находящегося впереди. Затем происходит сравнение этого изображения с серией живых картинок, фиксируемых камерой в процессе движения двух автомобилей по дороге, и на основани этого вычисляется расстояние между ними. Масаки считает, что такая система способна кроме регулирования скорости управлять также рулевым колесом, что позволит водителю пристроиться за впереди идущим автомобилем и образовать «компьютеризированную сцепку». Изобразите функциональную схему этой системы.

Аэродинамическое крыло

3-1.20. На рис. 1.20 (3) изображен гоночный автомобиль с настраиваемым (аэродинамическим) крылом. Разработайте функциональную схему, иллюстрирующую способность аэродинамического крыла поддерживать постоянную степень сцепления между шинами автомобиля и полотном гоночной трассы. Почему важно поддерживать хорошее сцепление с дорогой?

Рис. 1.20 (3).Гоночный автомобиль с аэродинамическим крылом

3-1.21. Возможность применения двух или нескольких вертолетов для транспортировки грузов, которые слишком тяжелы для одного вертолета, представляет интерес для областей гражданского и военного вертолетостроения. Разумеется, эта задача может быть решена путем использования небольшого вертолета, много раз переносящего заданный груз. Но в то же время эту задачу можно решить гораздо проще — путем использования нескольких более мощных вертолетов. В частном случае для этого могут использоваться два вертолета, как показано на рис. 1.21 (3).

Рис. 1.21 (3)

Перемещение груза двумя вертолетами

Разработайте функциональную схему, отражающую действия пилотов, положение каждого вертолета и положение груза.

3-1.22. Перед инженерами-строителями стоит задача — спроектировать такую систему управления, которая позволяла бы зданию или иному сооружению противостоять силе, возникающей во время землетрясения, лучше, чем это сделал бы человек. Эта система должна противостоять данной силе, но лишь до тех пор, пока она не превысит порог разрушения. Разработайте функциональную схему системы управления, позволяющей уменьшить влияние разрушающей силы землетрясения.

3-1.23. Модернизация автомобильного стеклоочистителя (дворника) состоит в том, что цикл его работы настраивается в зависимости от интенсивности дождя. Изобразите функциональную схему системы управления работой дворника.

3-1.24. За последние 40 лет на орбиту вокруг Земли было выведено более 20000 т различного оборудования. За тот же период более 15000 т оборудования было возвращено на Землю. Размер объектов, остающихся на орбите, колеблется от крупных космических аппаратов до крошечных частиц краски. На орбите находится около 150000 объектов размером более 1 см. Примерно за 10000 из них с Земли ведётся постоянное наблюдение. Актуальной задачей становится «управление космическим движением», особенно для компаний, выводящих коммерческие спутники на орбиты, которые уже заняты другими объектами и где может находиться космический мусор. Изобразите структурную схему системы управления космическим движением. которую компании могли бы использовать в целях предотвращения столкновения своих спутников с другими объектами.

Задачи на синтез систем

о

(Задачи на синтез подразумевают решение проблем, связаных с синтезом систем управления. Сквозная задача на синтез (СЗ) требует применения знаний, полученных при изучении последовательных глав.) СС-1.1. В современных высокоточных металлообрабатываю-

щих станках особые требования предъявляются к системам, обеспечивающим скольжение их стола. Такие системы должны с высокой точностью управлять желаемым перемещением стола, как показано на рис. 1.1 (СС). Изобразите функциональную схему системы с обратной связью, которая выполняла бы данную задачу. Как показано на рисунке, стол может перемещаться в направлении х.

С-1.1. Дорожная обстановка и шум от транспортных средств, проникающий в кабину автомобиля, приводят к быстрой утомляемости водителя и пассажиров. Разработайте функциональную схему противошумовой системы с обратной связью, которая снижала бы влияние нежелательных шумов. Укажите конкретное устройство, соответствующее каждому блоку.

Рис. 1.1 (СС).Станок со скользящим столом

С-1.2. Многие автомобили оснащены системой, которая позволяет в результате простого нажатия на кнопку автоматически поддерживать заданную скорость движения. Таким образом, водитель может ехать с ограниченной или экономически выгодной скоростью, не контролируя показания спидометра. Представьте данную систему в виде функциональной схемы.

С-1.3. На молочных фермах внедряются системы автоматического доения коров. Спроектируйте доильный апппарат. позволяющий доить коров 4-5 раз в день, когда для этого наступает время

(момент доения определяется самой коровой). Изобразите функциональную схему такой системы и укажите конкретное устройство, соответствующее каждому блоку.

Сварочный наконечник

С-1.4. На рис. 1.4 (С) показана размещенная на подставке большая рука робота, пред-назначеного для сварки крупногабаритных деталей. Разработайте функциональную схему замкнутой системы, которая должна точно управлять положением сварочного наконечника.

Рис. 1.4 (С).Сварочный робот

С-1.5. Автоматическое управление силой
сцепления позволяет исключить появле
ние юза при торможении и пробуксовку
при ускорении, что существенно облег
чает управление автомобилем. Цель по
добной системы управления состоит в
обеспечении максимального сцепления
шины с дорогой. В качестве управляемой
переменной выбирается пробуксовка ко
леса, т. е. разность между скоростью ав
томобиля и скоростью вращения колеса,
поскольку именно эта величина оказыва
ет наибольшее влияние на силу сцепле
ния между шиной и дорогой. Коэффици
ент сцепления колеса с дорогой достига
ет максимума при низкой пробуксовке.
Разработайте функциональную схему си
стемы управления силой сцеления для
одного колеса. ч

С-1.6. В декабре 1993г. был отремонтирован космический телескоп «Хаббл». Но до сих пор остается нерешенной проблема устранения дрожания изображений, возникающего каждый раз, когда аппарат входит или выходит из тени Земли. Наиболее сильные колебания имеют период около 20 с, что соответствует частоте 0,05 Гц. Спроектируйте систему с обратной связью, которая была бы способна уменьшить колебания телескопа «Хаббл».

Ключевые термины и понятия

Автоматизация. Автоматическое управление объектом или процессом.

Замкнутая система управления. Система с обратной связью, в которой происходит измерение выходной переменной и сравнение с ее желаемым значением.

Компромисс. Решение о том, как можно удовлетворить нескольким конфликтующим критериям синтеза системы.

Многомерная система управления. Система управления с более чем одной входной и более чем одной выходными переменными.

Объект управления. Устройство, установка или процесс, подлежащие управлению.

Оптимизация. Подбор параметров системы, обеспечивающих её наилучшее функционирование согласно принятому критерию качества.

Отрицательная обратная связь. Канал, по которому выходной сигнал возвращается на вход системы и вычитается из входного сигнала.

Положительная обратная связь. Канал, по которому выходной сигнал возвращается на вход системы и складывается со входным сигналом.

Производительность. Отношение реального выхода производственного процесса к его реальному входу.

Разомкнутая система управления. Система, в которой отсутствует обратная связь, т. е. выходная переменная объекта управления никак не влияет на вход этого объекта.

Расхождение при синтезе. Различие между сложной физической системой и ее моделью, выступающей в качестве основы для синтеза, объективно присущее движению от исходной концепции к конечному изделию.

Риск. Неопределенности, присущие процедуре синтеза системы управления.

Робот. Манипулятор со встроенным программируемым компьютером. Перепрограммируемый многофункциональный манипулятор.

Сигнал обратной связи. Результат измерения выходной переменной системы, используемый для формирования управляющего воздействия.

Синтез. Процесс, в результате которого создается новое физическое изделие. Объединение разрозненных элементов в единое целое.(Процесс проектирования или изобретения элементов, частей или блоков системы определенного целевого назначения.)

Система. Соединение элементов и устройств в структуру определенного функционального назначения.

Система управления. Соединение элементов в структуру, обладающую заданными свойствами.

Сложность проектирования. Проблема, возникающая вследствие множественности привлекаемых для проектирования методов и технических средств.

Техническое проектирование. Процесс создания технической системы.

Требования. Формулировки, определяющие, каким должно быть устройство или изделие и что оно должно делать. Совокупность предписанных критериев качества.

Центробежный регулятор. Механическое устройство для регулирования скорости паровой машины.