СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Введение в системы управления

Обзор

В этой главе мы рассмотрим в общих чертах процесс синтеза системы управления, т. е. сис­темы определенного назначения, состоящей из взаимосвязанных элементов. Для понима­ния целей систем управления полезно будет обратиться к некоторым примерам таких сис­тем, появлявшихся в различные исторические эпохи. Эти самые первые системы управле­ния работали по тому же принципу обратной связи, который используется и в наше время.

Проектирование современных систем управления позволяет среди многих других за­дач решать и такие, как совершенствование производственных процессов, повышение эф­фективности использования энергии, оптимизация управления автомобилем путем регу­лирования скорости. Ниже мы разберем эти интересные с практической точки зрения приложения техники управления.

Мы обсудим также причины расхождения между свойствами сложного реального физического объекта и его модели, служащей основой для синтеза системы управления. Итеративный характер процедуры синтеза позволяет эффективно сглаживать эти расхож­дения путем принятия компромиссных решений в отношении сложности, качества и сто­имости системы, причем критерием здесь служат выдвинутые ограничения.

В заключение мы приступим к разбору примера синтеза с продолжением: управле­ние системой чтения информации с диска. Этот пример последовательно будет рассмат­риваться в каждой главе книги. Он наглядно иллюстрирует практические приемы синтеза и одновременно является полезным средством закрепления материала главы.

Прикладные науки занимаются изучением предметов материального мира и сил природы и управлением ими в интересах человечества. Сходные задачи решают и инженеры, занима­ющиеся проектированием систем управления. Разница лишь в том, что для инженера пред­ставляют интерес фрагменты окружающей его обстановки, часто называемые просто сис­темами, а его целью является производство товаров и услуг, приносящих пользу обще­ству. Процессы изучения и управления неотделимы друг от друга, поскольку эффективное управление каким-либо процессом невозможно без его исследования и моделирования. Более того, в качестве объектов управления часто выступают плохо изученные процессы, например химические. По-настоящему трудной задачей для инженера является моделиро­вание и управление современными сложными взаимосвязанными системами, такими как транспортные потоки, химические процессы, робототехнические комплексы. В то же вре­мя опытный инженер в состоянии проектировать многие весьма полезные и оригинальные промышленные системы управления. По-видимому, наиболее яркая особенность техники
управления—это возможность целенаправленного воздействия на механизмы, производ­ственные и экономические процессы в интересах общества.

Техника управления базируется на теории обратной связи и анализе линейных сис­тем; она включает в себя также основные положения теории цепей и теории связи. Поэто­му она не ограничивается только какой-то одной технической дисциплиной, а в равной степени применима к аэронавтике, химической технологии, механике, экологии, строите­льству, электротехнике. Очень часто, например, система управления включает в себя эле­менты электрической, механической и химической природы. Более того, по мере более глубокого понимания динамики бизнеса, социальных и политических процессов будет повышаться и способность управления этими процессами.

Система управления — это соединение отдельных элементов в определенную кон­фигурацию, обеспечивающую заданные характеристики. В основе ее анализа лежит тео­рия линейных систем, предполагающая наличие причинно-следственных связей между элементами. Поэтому процесс или объект, подлежащий управлению, может быть пред­ставлен в виде блока, изображенного на рис. 1.1. Связь между входом и выходом — это, по сути, преобразование одного сигнала (причины) в другой (следствие), причем доволь­но часто с усилением мощности. В разомкнутой системе управления для получения же­лаемой реакции объекта обычно используется регулятор или исполнительное устройство, как показано на рис. 1.2. В разомкнутой системе обратная связь отсутствует.

В отличие от разомкнутой, в замкнутой системе производится измерение действите­льного значения выходного сигнала, которое затем сравнивается с его желаемым значе­нием. Измеренное значение выхода называют сигналом обратной связи. Простейшая замкнутая система управления изображена на рис. 1.3. Замкнутая система стремится поддержать заданное соотношение между двумя переменными путем сравнения функций от этих переменных и использования их разности в качестве управляющего сигнала. Чаще всего разность между заданным значением выходной переменной и ее действитель­ным значением усиливается и используется для воздействия на объект управления, в ре­зультате чего эта разность постоянно уменьшается. Принцип обратной связи лежит в основе анализа и синтеза систем управления.

В разомкнутой системе для непосредственного управления объектом применя­ется специальное исполнительное устройство, а обратная связь отсутствует.

В замкнутой системе производится измерение выходной переменной и его резуль­тат в виде сигнала обратной связи сравнивается с эталонным входным сигналом, несущим информацию о заданном значении выходной переменной.

В связи с возрастающей сложностью объектов управления и желанием добиться оп­тимальных показателей качества, за последнее десятилетие резко повысилась роль авто­матического управления. К тому же во многих случаях возникает необходимость учиты­вать взаимное влияние выходных переменных друг на друга, что неизбежно отражается на структуре системы. Конфигурация такой многомерной системы управления приве­дена на рис. 1.4.

Типичным примером разомкнутой системы управления может служить кухонный электротостер. В качестве примера замкнутой системы можно рассматривать ситуа­цию, когда водитель автомобиля при движении по дороге наблюдает за его положени­ем и осуществляет необходимые воздействия на органы управления (рулевое колесо и педали).