СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Примеры современных систем управления

Управление с использованием обратной связи—это неоспоримый факт нашей повседнев­ной жизни. Управлять автомобилем очень приятно, когда машина мгновенно реагирует на действия водителя. Многие автомобили с этой целью оснащены гидроусилителями руля и тормозов. Простая блок-схема системы управления движением автомобиля изображена на рис. 1.8 (а). Желаемое направление движения сравнивается с результатом измерения дей­ствительного направления и в итоге образуется ошибка, как показано на рис. 1.8 (б). Ин­формация о действительном направлении поставляется за счет визуальной и тактильной (телодвижение) обратной связи. Дополнительная обратная связь образуется ощущением рулевого колеса руками водителя (датчиком). Эта система с обратной связью является ана­логом хорошо известных систем управления курсом океанского лайнера или большого пассажирского самолета. На рис. 1.8 (в) изображена типичная реакция автомобиля на дей­ствия водителя.

Системы управления функционируют по замкнутому циклу, как показано на рис. 1.9. Если датчик является точным, то измеренное значение выхода системы равно его дейст­вительному значению. Разность между желаемым и действительным значениями выход­ной переменной, т. е. ошибка, поступает на управляющее устройство (например, усили­тель). С его выхода сигнал поступает на исполнительное устройство, которое воздейству­ет на объект управления таким образом, чтобы уменьшить ошибку. Например, если ко­рабль пытается отклониться от курса вправо, руль приводится в движение так, чтобы повернуть корабль влево. Система на рис. 1.9 — это система с отрицательной обратной связью, т. к. выходной сигнал вычитается из входного, а разность подается на вход уси­лителя.

На рис. 1.10 изображена замкнутая система ручного управления уровнем жидкости в баке. Входом является заданное значение уровня жидкости, который оператор обязан поддерживать (это значение он держит в памяти). В качестве усилителя выступает сам оператор, а датчиком являются его глаза. Оператор сравнивает действительное значение уровня с желаемым и открывает или закрывает вентиль, изменяя тем самым в нужном на­правлении отток жидкости.

Многие другие хорошо знакомые системы управления состоят из тех же основных элементов, которые показаны на рис. 1.9. Так, бытовой холодильник имеет устройство за­дания желаемой температуры, термометрический датчик, определяющий действительное значение температуры и величину ошибки, и компрессор, играющий роль усилителя мощности. Другими примерами моїут служить духовой шкаф, электропечь, водяной на­греватель. В промышленности повсеместно используются системы управления скоро-

о)

Реакция

автомобиля

(направление

движения)

О Время, t

е)

Рис. 1.8. (а) Система управления автомобилем с помощью рулевого механизма;

(б) Водитель определяет разность между желаемым и действительным направлением движения и воздействует на рулевое колесо;

(в) Типичная реакция автомобиля на действия водителя

Рис. 1.10

Система ручного управления уровнем жидкости в баке

стью, температурой, давлением, положением, толщиной, составом вещества, качеством изделий.

На современном этапе автоматизацию можно определить как технологию, использу­ющую запрограммированные команды, воздействующие на некоторый объект или про­цесс, и обратную связь, с помощью которой определяется, правильно ли исполнены эти команды. Автоматизация часто применяется к процессам, в управлении которыми ранее участвовал человек. После автоматизации процесс может функционировать без помощи или вмешательства человека. Фактически, большинство автоматизированных систем спо­собны выполнять свои функции с большей точностью и намного быстрее, чем это было при ручном управлении. Встречаются и частично автоматизированные процессы, в управлении которыми участвуют и люди, и роботы. Например, многие работы на линии сборки автомобилей требуют совместных действий человека-оператора и интеллектуаль­ного робота.

Робот — это управляемая компьютером машина, функционирующая фактически на тех же принципах, которые используются в системах автоматизации. Робототехнику можно определить как отдельную ветвь автоматизации, в которой проектируются автома­тические машины (т. е. роботы), призванные заменить труд человека. Поэтому роботы об­ладают определенными характеристиками, присущими человеку. Примером может слу­жить механический манипулятор, воспроизводящий движения человеческой руки и кис­ти. Отметим, что некоторые задачи автоматическая машина выполняет лучше человека, тогда как с другими лучше справляется человек. Это отражено в табл. 1.2.

Еще одной практически важной задачей является управление современным автомо­билем. Уже разработаны и внедряются системы управления подвеской, рулевым механиз­мом и двигателем. Новые автомобили оснащаются также системами привода на все четы­ре колеса и системами, препятствующими заносу.

На рис. 1.11 изображена трёхкоординатная система управления для контроля отдель­ных полупроводниковых пластин. Для перемещения элементов установки в заданное по­ложение по всем трем осям используются соответственно три электродвигателя. Система предназначена для обеспечения плавного и точного перемещения по каждой оси. Она вы­полняет очень ответственные функции в производстве полупроводниковых приборов.

Не так давно разгорелась серьезная дискуссия по поводу разрыва между теорией и практикой управления. Совершенно естественно, однако, что во многих областях деяте­льности теория опережает ее практические применения. Тем не менее, интересно, что в электроэнергетике — крупнейшей отрасли США — этот разрыв не столь значителен. Эта отрасль главным образом связана с преобразованием, контролем и распределением энер­гии. Поэтому естественно, что для повышения эффективности использования энергетиче­ских ресурсов всё шире внедряются компьютерные системы управления. Кроме того, осо­бую важность приобретает задача управления электростанциями с целью уменьшения выбросов в окружающую среду. В современных крупных электростанциях, мощность ко­торых превышает сотни мегаватт, системы автоматического управления крайне необхо­димы для поддержания такого соотношения между отдельными переменными, при кото­ром оптимизируется процесс производства энергии. Обычно скоординированное управ­ление производится более чем 90 переменными. На рис 1.12 показана упрощенная схема системы управления важнейшими переменными крупного парогенератора. Этот пример показывает важность измерения многих переменных, таких как давление и содержание кислорода, что дает компьютеру информацию для вычисления управляющих воздейст­вий. По оценочным данным, в США функционируют более 400000 цифровых систем управления.

На рис. 1.13 приведена блок-схема цифровой системы управления, в которой роль управляющего устройства выполняет компьютер. Именно в электроэнергетике находят практическое применение все новейшие достижения в технике управления. По-видимо­му, основным фактором, обусловливающим разрыв между теорией и практикой управле­нім, является отсутствие достаточно надежных средств измерения всех существенных для процесса управления переменных, включая качество и состав производимой продук­ции. По мере появления этих средств значительно возрастает и применение в промыш­ленности современных систем управления.

Другой важной отраслью, где достигнут значительный успех в автоматизации произ­водства, является металлургическая промышленность. Здесь во многих случаях решение прикладных задач опережает теорию. Например, на стане горячей прокатки стального ли­ста одновременно осуществляется управление температурой, шириной, толщиной и каче­ством листа.

Быстрый рост стоимости энергии и угроза сокращения ее потребления заставляют предпринимать новые усилия по эффективному автоматическому управлению энергети­ческим комплексом. С помощью компьютеров удается регулировать использование энер-

гии в промышленности, а также стабилизировать и равномерно распределять нагрузку в целях экономии топлива.

В последние годы значительно повысился интерес к применению принципа обрат­ной связи к управлению товарно-материальными запасами и их складированием. Растет также интерес к автоматизации управления сельскохозяйственным производством (фер­мами). Разработаны и прошли испытания автоматически управляемые силосные башни и тракторы. Важное значение имеют современные системы автоматического управления ветряными электрогенераторами, солнечными установками нагревания и охлаждения, ав­томобильными двигателями.

Теория систем управления имеет много практических приложений в биологии и био­медицине, в диагностике и протезировании. В организме человека иерархия систем управления простирается от клеточного уровня до центральной нервной системы и вклю­чает в себя регуляцию температуры, сердечно-сосудистой деятельности и дыхательного ритма. Большинство физиологических систем управления являются замкнутыми, но в то же время внутри каждого контура можно обнаружить цепь вложенных контуров. Таким образом, моделирование биологических процессов приводит к построению систем высо­кого порядка и достаточно сложной структуры. В США устройства протезирования помо­гают миллионам инвалидов преодолеть их физические недостатки. На рис. 1.14 показана искусственная рука, использующая обратную связь по усилию, которая управляется био-

1.1. Автоматическая сборка и роботы

электрическими (электромиографическими) сигналами, направляемыми к ампутирован­ной конечности.

Наконец, большой интерес представляют попытки построения моделей процессов с обратной связью, имеющих место в социальной, экономической и политической сферах. Эти методы разработаны пока недостаточно, но, скорее всего, будут востребованы в бли­жайшие годы. Любая общественная формация состоит из множества систем с обратной связью и органов управления, руководящих движением общества в желаемом направле­нии. На рис. 1.15 изображена обобщенная модель системы управления статьей дохода на­ционального бюджета. Подобная модель помогает аналитику лучше понять роль правите­льства в управлении экономикой и динамику государственных расходов. Конечно, суще­ствуют и другие контуры, не показанные на схеме, хотя бы потому, что государственные расходы теоретически не могут превышать собранные налоги из-за опасности создания дефицита. В социалистическом государстве контур, включающий в себя потребителей, имеет меньшее значение, а основная роль принадлежит правительственному управлению. При этом блок «измерение» должен точно и быстро отслеживать все изменения поступле­ний, однако в бюрократической системе это сделать чрезвычайно трудно. Подобная мо­дель политической или социальной системы, хотя и является не очень строгой, но дает до­статочно информации для понимания протекающих процессов.

Системы управления с обратной связью широко применяются в промышленности. На рис. 1.16 показан лабораторный робот. В настоящее время в промышленных и лабора­торных условиях используются тысячи роботов. Роботы-манипуляторы способны подни­мать предметы весом в сотни килограмм и перемещать их с точностью до миллиметра.