Введение. Теория управления – это наука, разрабатывающая и изучающая методы и средства систем управления и закономерности протекающих в них процессах

Copyright ©2008 Davydov А.V.

Теория управления – это наука, разрабатывающая и изучающая методы и средства систем управления и закономерности протекающих в них процессах. Предметом теории управления являются не
только процессы материального производства, но и сферы
деятельности человека: организационно-административное управление, проектирование и
конструирование, информационное обслуживание, здраво-
охранение, научные исследо-
вания, образование, и многие другие. Теория управления как научное направление сложилась в ХХ веке на базе теории автоматического регулирования, которая начала интенсивно развиваться в 19 веке в связи с потребностью в регуляторах, поддерживающих устойчивый режим работы внедрявшихся паровых машин в промышленности и на транспорте.

Современная теория управления занимает одно из ведущих мест в технических науках и в то же время относится к одной из отраслей прикладной математики, тесно связанной с вычислительной техникой. Теория управления на базе математических моделей позволяет изучать динамические процессы в автоматических системах, устанавливать структуру и параметры составных частей системы для придания реальному процессу управления желаемых свойств и заданного качества. Она является фундаментом для специальных дисциплин, решающих проблемы автоматизации управления и контроля технологических процессов, проектирования следящих систем и регуляторов, автоматического мониторинга производства и окружающей среды, создания автоматов и робототехнических систем.

Основными задачами теории управления являются задачи анализа динамических свойств автоматических систем на модельном или физическом уровне, и задачи синтеза алгоритма управления, функциональной структуры автоматической системы, реализующей этот алгоритм, ее параметров и характеристик, удовлетворяющих требованиям качества и точности, а также задачи автоматического проектирования систем управления, создания и испытания автоматических систем.

Предметом настоящего краткого курса являются основы теории управления материальными объектами и технологическими процессами, принципы организации, функционирования и проектирования технических и информационных систем управления в материальном производстве. В современных условиях управление различного ряда технологическими и техническими процессами осуществляется, как правило, с использованием ЭВМ, получивших название управляющих вычислительных машин. Проектирование систем управления, имеющих в своем контуре ЭВМ, носит специфический характер и невозможно без знания принципов и методов теории управления.

Методы и средства систем управления в сфере деятельности человека приводятся только на уровне понятий для общей ориентировки.

1.1. ПРЕДИСЛОВИЕ К ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ [1].

Процессы и сигналы. Динамическим процессом, или движением, называют развитие во времени некоторого процесса или явления - движение механизма, тепловое явление, экономические процессы. Процессы сопровождаются информационными сигналами – вторичными процессами, несущими информацию о рассматриваемом явлении.

Сигналы, как и порождающие их процессы, существуют вне зависимости от наличия измерителей или присутствия наблюдателя. При рассмотрении сигнала принято различать его информационное содержание о первичном процессе и физическую природу вторичного процесса - носителя информации. В зависимости от физической природы носителя выделяют акустические, оптические, электрические, электромагнитные, и пр. сигналы. Природа физического носителя может не совпадать с природой первичного процесса. Так, слиток металла может разогреваться электромагнитным излучением, а температура слитка регистрироваться по инфракрасному излучению.

В теории управления сигнал рассматривается с кибернетических позиций и отождествляется с количественной информацией об изменении физических переменных изучаемого процесса безотносительно к природе, как первичного процесса, так и носителя сигнала. При этом учитывается, что реальный сигнал может не содержать всей информации о развитии физического явления, равно как и содержать постороннюю информацию. На информационное содержание сигналов оказывают влияние способы их кодирования, шумы и эффекты квантования.

В зависимости от способа кодирования различают аналоговые и цифровые сигналы. Для аналоговых сигналов их значение (интенсивность какого-либо параметра физического носителя) пропорционально значениям изучаемой физической переменной. В цифровых сигналах информация представлена в виде чисел в определенной кодовой форме, например, в форме двоичных кодов. Вопрос адекватности сигнальной информации рассматриваемой физической переменной связан с понятиями идеального и реального сигнала.

Идеальный сигнал тождественен некоторой физической переменной x(t), в то время как реальный сигнал x'(t) содержит шумы измерения или помехи d(t) и отображается в виде: x'(t)=x(t)+d(t). С реальным сигналом связаны задачи идентификации (оценивания) динамических процессов x(t) по текущим измерениям x'(t), вопросы фильтрации, сглаживания и прогнозирования.

Типы сигналов. Информационное содержание сигнала зависит и от эффектов квантования. По характеру изменения во времени, процессы и сигналы подразделяются на непрерывные и дискретные. К последним, в свою очередь, относятся процессы, квантованные по уровню, и процессы, квантованные по времени.

Рис. 1.1.1.

Развитие процесса непрерывного времени характеризуется переменной x(t), принимающей произвольные значения из числовой области X и определенной в любые моменты времени t > t_o (рис. 1.1.1-а). К непрерывным процессам относятся непрерывное механическое движение, электрические и тепловые процессы, и т.п.

Развитие дискретного квантованного по уровню процесса характеризуется переменной x(t), принимающей строго фиксированные значения и определенной в любые моменты времени (рис. 1.1.1-б). В практических случаях можно полагать x_i = iD, i = 0, 1, 2,..., где D - приращение, или дискрета. В тех случаях, когда число состояний i достаточно велико или приращение D мало, квантованием по уровню пренебрегают.

Рис. 1.1.2.

Развитие дискретного квантованного по времени процесса (процесса дискретного времени) характеризуется переменной x(t), принимающей произвольные значения и определенной в фиксированные моменты времени t_i, где i = 0, 1, 2,... (рис. 1.1.2-а). Как правило, квантование осуществляется с постоянным интервалом квантования Т, т. е. t = iТ, i = 0, 1, 2,...

К дискретным процессам такого рода относятся процессы в цифровых вычислительных устройствах с тактовой частотой процессора f=1/Т, процессы в цифровых системах управления, где дискретность по времени обусловлена циклическим характером обработки информации (Т - время обновления информации на выходе управляющей ЭВМ). При достаточно малых интервалах Т дискретностью по времени пренебрегают, и квантованный по времени процесс относят к процессам непрерывного времени.

К дискретным относят также кусочно-постоянные процессы и сигналы, которые характеризуются переменной x(t), изменяющейся в фиксированные моменты времени t_i (рис. 1.1.2-б).

Кибернетический блок - это блок, для которого установлены причинно-следственные связи между входными и выходными сигналами. Выходной сигнал блока x₁(t) несет информацию о внутреннем процессе, причиной которого является входной сигнал x₂(t). Использование блока не требует знания его устройства и физической природы происходящих в нем процессов ("черный ящик").

В зависимости от числа входных и выходных сигналов различают одноканальные блоки (один вход, один выход), и многоканальные с несколькими входными и выходными сигналами. Блоки, у которых отсутствуют входные сигналы, называются автономными. По типу сигналов различают непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные блоки.

Для описания кибернетического блока используется одна из форм аналитического описания связи входных и выходных сигналов - дифференциальные и разностные уравнения, автоматные алгоритмы и проч., т. е. выражения вида

x₁(t) = F(x₂(t)), (1.1.1)

где F(_*) - функциональный оператор. Для простейших блоков такое описание может быть получено в виде алгебраического или трансцендентного уравнения:

x₁ = f(x₂), (1.1.2)

где f(_*) - функция.

Рис. 1.1.3.

Пример. Имеем электронагревательную печь, температура в которой t^o регулируется нагревателем (рис. 1.1.3-а). Входным сигналом этого блока является напряжение нагревателя x₂(t) = U(t), а выходным - температура x₁(t) = t^o(t). Связь выхода и входа описывается функциональным оператором (дифференциальным уравнением):

T dx₁(t)/dt + x₁(t) = x₂(t),

где Т - постоянная времени. Если напряжение нагревателя постоянно, т. е. х₂ = U = const, и x₁(0) = 0, то выходная переменная находится как (рис. 1.1.3)

x₁(t) = K(1-exp(-t/T))x₂(t).

В установившемся режиме, после окончания переходных процессов в печи (при t →∞), связь выходного и входного сигналов описывается простейшим алгебраическим уравнением вида (1.1.2), т. е.: x₁ = Kx₂, где К - коэффициент передачи на выходной результат входного воздействия (в данном случае – температура/вольт).

Аналогичные выражения для описания связей входных и выходных переменных получаются для электрической RC-цепи (рис. 1.1.3- б). Здесь x₁(t) = U_вых(t) - выходное напряжение схемы, x₂(t) = U_вх(t) — входное напряжение, Т = RC и К = 1.

С понятием кибернетического блока связаны следующие задачи:

• идентификация - нахождение выражения (1.1.1), связывающего сигналы x₂(t) и x₁(t);

• управление - определение входного сигнала x₂(t), обеспечивающего получение заданного выходного сигнала x₁(t) в предположении, что описание блока задано.

Кибернетическая система - это совокупность кибернетических блоков, связанных между собой информационными каналами. Связи между блоками носят сигнальный характер.

Для описания системы необходимо получить аналитические зависимости, описывающие каждый из блоков в отдельности, и связи между ними. После преобразований может быть получено общее (эквивалентное) описание системы как составного кибернетического блока с входным и выходным сигналом. В зависимости от числа входных и выходных сигналов различают одноканальные и многоканальные системы.

По типу сигналов и блоков в системе различают непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные системы, причем последние содержат как непрерывные, так и дискретные блоки.

Для кибернетической системы можно определить следующие задачи:

• анализ системы, т. е. определение связи между ее входом и выходом в виде алгебраического или дифференциального уравнения, а также нахождение показателей качества системы (быстродействия, точности и пр.);

• управление, или синтез системы, т. е. нахождение блоков и связей между ними, обеспечивающих получение заданной связи входных и выходных сигналов и показателей качества.

Наиболее распространенным типом дискретно-непрерывных систем являются цифровые системы, в состав которых входят цифровые вычислительные устройства - ЭВМ и цифровые контроллеры.

Дата добавления: 2015-04-29