Розділ 1. Системи і управління 1.1. Основи управління
Управління – це будь-який цілеспрямований процес при наявній інформації: U=F(A,I) , де А – бажаний стан (рух, процес) І – інформація U – управління (управляюча дія) Розрізняють автоматичне і автоматизоване управління. Автоматичне управління передбачає мати в колі зворотнього зв’язку тільки технічні засоби. Автоматизоване управління передбачає у колах зворотнього зв’язку наявність не тільки технічних засобів, але і людини (оператора) (рис. 1.1). 1.1.1. Загальна модель управління
ОУ – об’єкт управління Xвх(t) – вхідна дія Xвих(t) – вихідна дія Рис. 1.1 F – збурюючі дії від впливу зовнішнього середовища, котрі намагаються вивести ОУ з заданого (бажаного) стану При розв’язанні складних задач, якщо недостатньо лише технічних засобів, то використовуються технічні засоби і людина (для прийняття рішень). Задача управління об’єктом зводиться до того, щоб вибрати необхідні вхідні дії Х(t), котрі при будь-яких збурюючих діях F забезпечували б задане значення вихідної величини Х(t). У системах автоматичного регулювання (САР) підтримується вихідна величина на одному заданому рівні (рис. 1.2). У системах автоматичного управління (САУ) вихідна величина залежить від часу (рис. 1.3).
САР: САУ:
Рис. 1.2. Рис. 1.3. Автоматичне і автоматизоване управління базується на загальних принципах і методах. Автоматизоване управління використовується в складних великих системах, елементи яких значно важче описувати формалізовано, ніж елементи автоматичних систем. Під кібернетикою розуміють специфічний науково-методичний напрямок дослідження управління в процесах, системах різного рівня і складності, включаючи технічні, організаційно-технологічні, біологічні і соціально-економічні, які об’єднані наявністю мети, а також функцій керування. Цей напрямок має такі дисципліни: а). Теорія інформації; б). Теорія автоматів; в). Теорія автоматичного управління; г). Теорія розпізнавання образів. Питаннями структурної організації систем великої складності та стохастичної поведінки з різноманітними взаємозв’язками займається системотехніка. 1.2. Роль комп’ютерної техніки в управлінні процесами Умови, які спричинили розвиток і впровадження АСУ: Розвиток промисловості, номенклатури товарів. Збільшення зв’язків, кооперація між підприємствами. Ріст необхідних математичних досліджень. Швидка змінність виробів. 1.2.1. Класифікація автоматизованих систем (за видом процесу) Різноманітність автоматизованих систем управління може бути класифікованою за видом процесу управління (рис. 1.4). Рис. 1.4. АСУТП – автоматизовані системи управління технологічними процесами АСОУ – автоматизовані системи організаційного управління АСУОТ – автоматизовані системи управління організаційно-технологічні САПР – системи автоматизованого проектування АСНД – науково-дослідні автоматизовані системи АСН – навчальні автоматизовані системи АСУІ – автоматизовані системи управління інформацією 1.2.2. Узагальнена модель комп’ютерного управління процесом Фізичним процесом називаємо послідовну зміну станів об’єктів фізичного світу. Німецький стандарт DIN дає більш точне визначення фізичного процесу: “комбінація зв’язаних подій в системі, в результаті яких змінюється, переміщується чи запасається енергія, матерія чи інформація”. Технічний процес визначається як процес, фізичні змінні якого можна виміряти і змінити технічними засобами. Різниця між фізичним і технічним процесом в тому, що фізичний процес необов’язково повинен керуватись зовні. Технічний процес включає обробку інформації для досягнення заданої цільової функції (мети). Інформація – найважливіший компонент управління процесами, оскільки вона дозволяє краще використовувати дві інші складові процесу: матерію і енергію. Узагальнена модель комп’ютерного управління процесами зображена на рис. 1.5. Рис. 1.5. 1.2.3. Об’єкти і процеси управління. Додатний і від’ємний зворотні зв’язки В теорії управління структура, зображена на рис. 1.6 є елементарною (фундаментальною) ланкою.
Рис. 1.6. Частина систем, в яких здійснюється фізичний чи технічний процес, називається об’єктом управління (ОУ), а коло зворотнього зв’язку (ЕОМ, комп’ютер) називається управляючим органом (УО). Для простоти будемо розглядати об’єкти управління (ОУ), які характеризуються однією змінною Xвх, однією змінною Хвих та локалізованою збурюючою дією F. Зворотний зв’язок передбачає управління за замкненим циклом. 1.2.4. Властивості процесів, котрі ускладнюють управління Рівень складності системи управління визначається в першу чергу, властивостями керованого процесу. Серед багатьох характерних особливостей процесів, котрі ускладнюють управління, найбільше впливають: нелінійність процесу; змінне зовнішнє середовище; зміна умов самого процесу; значні часові затримки (запізнення); внутрішні зв’язки процесу. Запізнення сигналів чи наявність зон нечутливості (мертвих зон) є серйозною проблемою для керування. Через те, що регулятор функціонує на основі застарілих даних, тому він може видавати хибні (фальшиві) команди. Якщо сигнал від мікрофону поступає з затримкою, більшою ніж 0,2÷0,4 с, то ви швидко збиваєтесь і перестаєте розмовляти. Цей приклад наочно демонструє нестійкість, що виникла через затримку в часі. Регулятор в системі з часовими затримками повинен “пам’ятати” старі (попередні) керуючі дії. Врахування внутрішніх взаємозв’язків додає багато складності в модель процесу, якщо навіть він в своїй основі простий. Прикладом цього може служити задача регулювання температури в кімнатах будинку. Якщо вікно відчиняється в одній з кімнат, то температура змінюється не тільки локально, але і в деякій мірі в сусідніх кімнатах. Модель системи з внутрішніми зв’язками зображена на рис. 1.7:
вхідні сигнали вихідні сигнали
Рис. 1.7. 1.2.5. Загальна схема управління за замкненим циклом Загальна схема управління за замкненим циклом зображена на рис. 1.8:
Рис. 1.8. При керуванні за замкненим циклом зміни вихідної величини передаються на вхід системи за допомогою сукупності пристроїв, які називаються зворотним зв’язком. ( - суматор Р – регулятор Для забезпечення управління по замкненому циклу необхідно забезпечити умову: Хр=Хвх-Хз.з /1/ Віднімання здійснюється на суматорі, використовуючи його інверсний вхід. Якщо система працює за виразом /1/, то вона називається із від’ємним зворотним зв’язком, тобто від вхідної дії віднімається частина вихідної дії. Стабіізуючу властивість від’ємного зворотного зв’язку можна проілюструвати таким чином. Нехай Хвих в деякий момент часу більше від Хзад (заданого значення), тобто Хвих зросло: Хвих ^ Хз.з ^ Хр v Хоу v Хвих v якщо Хвих зменшилось: Хвих v Хз.з v Хр ^ Хоу ^ Хвих ^ Від’ємний зворотний зв’язок утримує (стабілізує) вихідну дію біля заданого значення. Хр=Хвх+Хз.з /2/ Додатний зворотний зв’язок /2/ може бути лише локальним, оскільки глобальний додатний зворотний зв’язок приводить до нестійкості системи. Глобальний зворотний зв’язок здійснюється з виходу на вхід цілої системи. Додатний зворотний зв’язок часто використовують в системі з метою корекції тих чи інших параметрів (амплітуди, фази, частотних залежностей і т.ін.). Якщо Хвих збільшується, то збільшується і Хз.з.. У випадку глобального додатнього зворотнього зв’язку збільшується Хвих: Хвих ^ Хз.з ^ Хр ^ Хоу ^ Хвих ^ якщо Хвих зменшилось: Хвих v Хз.з v Хр v Хоу v Хвих v Вихідна величина не утримується біля заданого значення. Рис. 1.9. Додатний глобальний з
