Лекция 1. Автоматическое и автоматизированное управление сложными техническими системами

Система управления, объект управления.

Система управления – это система, состоящая из управляющего устройства (УУ) и объекта управления (ОУ). Понятия объект управления, цель управления, управляющие воздействия взаимосвязаны и не могут быть определены отдельно друг от друга.

Объект управления (ОУ) - объект (или система объектов), для которого необходимо достичь желаемые цели управления через выдаваемые на него управляющие воздействия.

ОУ могут быть как отдельные объекты, так и системы взаимосвязанных объектов – тогда мы говорим о распределенном объекте управления.

Цели управления – это значения координат или соотношение значений координат процессов, происходящих в ОУ, а так же их изменение во времени, которые надо получить в процессе управления для достижения желаемых результатов функционирования ОУ.

Например, целью управления системы автоматической посадки самолета является:

Получить в заданной точке, координаты которой известны(начало посадочной полосы) скорость полета не менее 250 км. /час и высоту над поверхностью земли в этой точке H=0.

Т.е. управление должно вестись сразу по нескольким координатам в заданном соотношении. В более простых случаях управление проводится по одной координате – управление температурой в холодильной камере.

 

 

 

Управляющее устройство – устройство, предназначенное для воздействия на ОУ для достижения цели управления.

 

Задачи управления

 

Задачи, решаемые при проектировании и исследовании систем автоматического управления различного назначения можно свести к следующим основным типам:

анализ, параметрическая оптимизация, синтез, адаптация.

Анализ состоит в определении отклика объекта управления при его выбранной структуре, фиксированных параметрах на любое физически возможное детерминированное или случайное внешнее воздействие. Анализ предусматривает расчет переходных состояний системы, как функций времени, и установившихся состояний при t , как аналитическими методами, так и численными с помощью компьютера.

Параметрическая оптимизация. Состоит в определении таких параметров системы при её неизменной структуре, при которой одна или несколько характеристик имеют наилучшие (максимальные или минимальные)значения. Данная задача почти всегда сводится к поиску минимума функции цели, как разности между двумя функциями, одна из которых описывает требуемую характеристику, а другая – фактически полученную при выбранной комбинации параметров системы.

Оптимизация. Со словом оптимизация связана и другая проблема в теории автоматического управления – оптимальное управление, предусматривающее поиск наилучшего в определенном смысле способа управления динамическим процессом. Например, следует найти закон управления переводящий систему из одного заданного состояние в другое за минимальное время или с минимальным расходом энергии.

Синтез. Заключается в определении структуры системы, значений параметров, при которых она наилучшим образом соответствует выбранному критерию или выбранным критериям. Параметрическая оптимизация, сопровождаемая поиском подходящей структуры системы, практически определяет задачу синтеза системы управления.

Адаптация. Заключается в придании системе управления свойства рассчитывать и определять новые значения своих параметров или менять структуру при изменении условий работы или недостаточно полно определенных характеристик объектов управления.

Задача адаптации рассматривается и реализуется в процессе функционирования системы

Для решения всех этих задач важнейшим инструментом является численное математическое моделирование на компьютерах. Аналитические решения данных задач даже если они и получены требуют все равно компьютерных расчетов в более или менее сложных случаях.

Определение понятия "компьютерная технология",информационные технологии,коммуникационные технологии.

 

В современных системах автоматизации и управления основным техническим средством обработки информации, выполнения научно-технических расчетов, вычисления задающих и управляющих воздействий является компьютер.

Между терминами "компьютерная технология" и "информационная технология" существует различие в том смысле, что обработка информации может осуществляться и без помощи компьютера. Однако в современных условиях, тем более в таких областях как автоматизация производственных процессов, управления системами, проектирование изделий различного назначения, выпуск документации и др. использование компьютеров находит самое широкое применение. В этой связи в оба термина используются, как синонимы.

В понятие "компьютерная технология" включаются также коммуникационные технологии, которые обеспечивают передачу информации по каналам связи (информационно-вычислительные сети), поскольку распределенная обработка информации, распределенный доступ к общим информационным ресурсам, которые также могут быть распределены, распределенное управление получили широкое

В системах компьютерного управления автоматизированными и автоматическими системами сравнительно легко вносятся новые стратегии функционирования поскольку можно легко изменять характер функционирования без переоснащения и перепроектирования всей системы, полностью изменив образ действий того же самого компьютера, заменив ему программное обеспечение. Именно эти возможности, наряду с возможностями обработки информации в системе по сложным алгоритмам предопределили бурный рост компьютерных технологий автоматизации и управления.

Следует также отметить роль компьютерного моделирования процессов, протекающих в динамических системах, на стадиях проектирования и эксплуатации, которое постепенно вытесняет классические методы исследований докомпьютерной эры Компьютерное моделирование буквально охватывает весь жизненный цикл системы.

 

Сложные технические системы

Сложной технической системой мы будем называть систему, имеющую:

-сложное устройство - сложную многокомпонентную структуру со множеством связей между структурными элементами,

-многорежимное использование структурных элементов в различных сочетаниях, при которых взаимодействие составных частей изменяется,

- сложное поведение, которое трудно предсказать, так как оно часто происходит под воздействием случайных возмущений и в условиях неопределенности и наличия неисправностей.

Сложные технические системы управляются от ЦВМ или совокупности ЦВМ, объединенных в вычислительную сеть.

С ложные технические системы способны устранять последствия внешних или внутренних случайных воздействий в том числе отказов составляющих её элементов

В соответствии с этим определением к СТС можно отнести сложные промышленные установки, медицинское оборудование и их системы управления, системы управления аэрокосмическими объектами, автомобилями и т.п. Сюда же можно отнести и сложные изделия бытовой техники: стиральные машины, холодильные установки и т.п., имеющие множество вариантов использования и управление которыми в настоящее время компьютеризировано.

Виды управления.

Классификацию управления и СУ можно проводить различным образом:

Во-первых, имеются виды управления по концепции его применения:

1. Координация – согласование временное и логическое процессов, протекающих в различных объектах, элементов сложного ОУ;

2. Управление – регулирование – поддержание значений координат ОУ в требуемых задаваемых пределах, отслеживание изменений приходящих извне или вычисляемых в системе требований к значениям координат;

3. Стабилизация – поддержание постоянных значений требуемых координат ОУ;

4. Терминальное управление – перевод ОУ в процессе управления из заданного начального состояния координат в заданное конечное состояние координат за заданное время.

Прямое управление (в разомкнутом контуре)

 

Схема разомкнутого управления(прямого управления, управления без ОС).

 

В разомкнутой системе фактическое состояние ОУ (выходных координат ОУ) не известно и используется априорная или расчетная информация об состоянии ОУ. Измерения выходных координат не проводятся.

Прямое управление ведется с большими некомпенсированными ошибками от воздействий возмущений и неточности знания характеристик УУ и ОУ системы.

 

Управление с отрицательной обратной связью

Система в этом случае имеет отрицательную обратную связь (ОС) по состоянию ОУ (значений координат ОУ).При этом проводятся измерения действительного значения управляемых координат ОУ(всех или части), которые сравниваются с желаемыми значениями. Разница используется для управления координатами ОУ с целью устранения этой разницы.

 

 

 

 

Принцип управления с обратной связью является фундаментальным принципом теории управления не только для технических систем.. По принципу управления с отрицательной обратной связью осуществляется регуляция в разнообразных живых организмах. Социальные и экономические системы также используют этот принцип.

Управление, при котором текущее управляющее воздействие вырабатывается с учётом измеренного фактического состояния ОУ, обусловленного предыдущем управлением называется управлением с обратной связью. Управление с отрицательной ОС резко уменьшает влияние возмущений, повышает точность управления, однако, возникают проблемы с устойчивостью. Эти проблемы связаны с запаздыванием выдачи управляющих воздействий, что приводит к раскачиванию системы в некоторых случаях с недопустимо большой амплитудой колебаний.

Пример прямого управления и управления с отрицательной ОС.

 

Управление скоростью вращения диска (компакт диска).

Требуется постоянная заданная скорость вращения диска. Решение этой задачи на первый взгляд возможно путем настройки скорости вращения электродвигателя подбором регулирующего сопротивлении в его цепи возбуждения на специальном стенде при производстве данного устройства. Однако, в процессе эксплуатации сохранить эту настройку не представляется возможным из-за разброса питающего напряжения сети, изменения сопротивления вращения по причине нарастающего со временем износа. Введение системы управления скорости вращения диска с обратной связью позволяет стабилизировать скорость вращения с очень незначительной ошибкой, несмотря на колебания питающего напряжения и изменения сопротивления вращения из-за износа.

 

 

 

 

 

В теории управления принято системы управления представлять в виде структурных схем управления, где объект управления, датчики, управляющие устройства (исполнительные органы) изображаются в виде соответствующих прямоугольников и указываются связи между этими элементами.

 

 

 

 

 

Возмущения. Управление по возмущению

Воздействие на ОУ или любой другой элемент системы затрудняющее управление или уводящее ОУ от цели управления определяются как возмущения.

Изменение характеристик системы, вследствие неточного изготовления или износа, силовые воздействия (ветер), разброс питающего напряжения, разброс температуры внешней среды, приводящие к изменению параметров работы объекта управления, датчиков, исполнительных органов - все это возмущения, действующие на систему. Возмущения чаще всего являются случайными и их величину можно представлять статистическими характеристиками.

Можно попробовать измерять действующие на систему возмущения, например, изменения напряжения в сети и учитывать их в разомкнутом управлении.

Однако, погрешности измерения возмущений, не полностью известный состав возмущений не позволят кардинальным образом повысить точность стабилизации в нашем примере скорости вращения диска.

 

 

Измерив возмущения возможно в УУ рассчитать компенсирующие эти возмущения управляющие воздействия. Но здесь отсутствует ОС по выходной переменной и выходная переменная по прежнему не измеряется.

Компенсация случайных и систематических погрешностей измерения возмущений в УУ позволяют только частично повысить точность управления. Неполная компенсация множества действующих возмущений приводит по прежнему к большим ошибкам в управляемой координате.

 

Закон управления. Комбинированное управление – управление по отклонению и возмущению

На отдельных участках работы СУ управление по возмущению может приводить к отклонениям по заданным координатам от заданных значений, и как бы вступать в борьбу с управлением по отклонению управляемых координат по ОС, но, в общем, это помогает управлять эффективно. Закон управления. Реализованная в управляющем устройстве математическая форма преобразования задающих воздействий, возмущений, воздействий обратных связей в управляющее воздействие на объект управления называется законом управления.

Возмущения, действующие на систему, часто бывают случайными по величине и меняются во времени также случайным образом. Эти случайные возмущения касаются как внешних воздействий, так и параметров объекта управления, параметров аналоговых управляющих устройств. Случайные возмущения тем не менее должны быть ограничены и их характеристики важные для управления должны быть известны для того, чтобы правильно выбрать параметры регулятора и мощность исполнительных органов.В лучшем случае удается определить параметры распределений этих случайных возмущений на стадии проектирования. На этот случай в теории управления есть аппарат исследования подобных систем со случайными характеристиками.

Этот аппарат можно применять при определенных упрощениях и требует применения численных методов - проведения расчетов на компьютерах. При этом для реальных систем имеется универсальный метод исследования и таких систем. Это метод - статистическое компьютерное имитационное математическое моделирование.

Вопросы для повторения

Система управления, объект управления.

Задачи управления

Сложные технические системы

Определение понятия "компьютерная технология",информационные технологии,коммуникационные технологии

Виды управления.

Прямое управление (в разомкнутом контуре)

Управление с обратной связью

Пример прямого управления и управления с ОС.

Возмущения. Управление по возмущению

Комбинированное управление. Функциональная схема цифровой системы управления механической системой.