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-

Примеры современных систем управления

Действительное

направление

движения

Желаемое направление

Примеры современных систем управления

Действительное направление движения

о)

Желаемое

направление

движения

Примеры современных систем управления

Действительное

направление

движения

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

Примеры современных систем управления

Рис. 1.9. Система с отрицательной обратной связью (управляющее устройство часто называют регулятором)

Рис. 1.10

Приток

жидкости

Примеры современных систем управления

Отток

жидкости

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.

Таблица 1.2. Трудность задач для человека и автомата

Задачи, трудные для автомата

Задачи, трудные для человека

Наблюдение за саженцами в питомнике

Обследование системы в опасной токсичной

Вождение автомобиля по пересеченной

среде

местности

Однообразная сборка часовых механизмов

Определение наиболее ценных алмазов

Посадка самолета ночью, в плохих погодных

на лотке

условиях

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.

Примеры современных систем управления

Рис. 1.11. Трехкоординатная система управления для контроля полупроводниковых пластин

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.

Примеры современных систем управления

Желаемые значения температуры, давления, содержания 02, мощности

Рис. 1.12. Скоординированная система управления режимом парогенератора

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-

Примеры современных систем управления

Рис. 1.13. Цифровая система управления

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-

Примеры современных систем управления

Рис. 1.14. Робот типа «Искусственная рука». Является совместной разработкой Центра технического конструирования Университета штата Юта и Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института. Рука имеет 18 степеней свободы, управляется пятью микропроцессорами Motorola 6800, приводится в действие 36-ю прецизионными электропневматическими исполнительными механизмами через особо прочные полимерные сухожилия. Рука имеет 4 пальца и оснащена тактильными датчиками усилия

1.1. Автоматическая сборка и роботы

Примеры современных систем управления

Поступления от частного бизнеса

Желаемое значение дохода

Национальный

доход

Рис. 1.15. Система управления статьей дохода национального бюджета в виде модели с обратной связью

35

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.

СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Требования к качеству системы в частотной области

Мы постоянно должны задавать себе вопрос: какая связь существует между частотными характеристиками системы и ожидаемым видом её переходной характеристики? Другими словами, если задан набор требований к поведению системы во временной …

Измерение частотных характеристик

Синусоидальный сигнал можно использовать для измерения частотных характеристик ра­зомкнутой системы управления. На практике это связано с получением графиков зависи­мости амплитуды и фазового сдвига выходного сигнала от частоты. Затем по этим …

Пример построения диаграммы Боде

Диаграмма Боде для передаточной функции G(s), содержащий несколько нулей и полюсов, строится путём суммирования частотных характеристик, соответствующих каждому отде­льно взятому полюсу и нулю. Простоту и удобство данного метода мы проиллюстрируем …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.