Введение в информационные технологии управления

Технология управления каким-либо объектом обеспечивает постоянство определенной физической или иной величины, характеризующей состояние объекта, или изменение этой величины в соответствии с некоторым законом на основании конкретной информации о состоянии объекта и окружающей среды.

Информационную модель любой системы управления можно представить как совокупность двух основных компонентов: объекта управления и управляющей части.

Объект управления - четко выделенная ограниченная сущность с точно зафиксированным составом и спецификацией входящих в эту сущность элементов, и с точно установленными отношениями между элементами этой сущности.

Объектом управления может быть любой объект - завод, магазин, территория, город, район, государство, макроэкономика в целом, любое управляемое техническое устройство или какой-либо технологический процесс.

Важнейшее свойство объекта управления - целостность.

Предполагается, что объект управления может функционировать автономно до тех пор, пока не меняются некоторые условия.

Вторым принципиально важным компонентом системы управления является управляющая часть.

Управлением называется сознательное целенаправленное информационное воздействие посредством управляющей части с целью перевода объекта управления из одного состояния в другое.

Взаимодействующие управляющая часть и объект управления образуют систему управления. Система управления поддерживает целостность как объект управления более высокого уровня.

Управление должно быть результативным. Взаимодействие между объектом управления и управляющей частью может производиться по нескольким каналам.

Управляющая часть должна располагать данными о внешней среде и внутреннем состоянии объекта управления и в соответствии с параметрами внешней среды и параметрами состояния объекта управления - управляющая часть вырабатывает управляющие воздействия на объект управления.

Можно выделить три основные группы параметров управления:

· Критерии эффективности управления - это сложное, часто математическое понятие, определяемое управляющей частью и задающее общую (функциональную) стратегию управления;

· Норматив управления - позволяющий сравнивать текущее состояние объекта управления с некоторым заранее определенным идеализированным состоянием (образцом) и определяющий корректность (законность) управляющих воздействий;

· Внешние задающие воздействия - позволяющие целенаправленно переводить объект управления из одного стабильного (устойчивого) состояния в другое.

Перевод объекта управления в нестабильное состояние приводит к дестабилизации объекта управления. Состояние дестабилизации характеризуется потерей управляемости объектом управления, что может привести к саморазрушению и утрате объекта управления.

Взаимодействие управляющей части и управляемого объекта двойственно - оно осуществляется посредством прямой и обратной связи.

По прямой связи осуществляется непосредственная передача управляющих воздействий от управляющей части к объекту управления.

По обратной связи осуществляется передача информации о фактических (текущих) параметрах состояния объекта управления от объекта управления к управляющей части.

Подобная передача информации является основной функцией обратной связи.

Обратная связь является фундаментальным понятием кибернетики, теории управления и теории информации. Обратные связи могут быть линейными и нелинейными. Различают также отрицательную и положительную обратную связь.

Отрицательная обратная связь широко используется в замкнутых автоматических системах с целью повышения устойчивости (стабилизации), улучшения переходных процессов, понижения чувствительности (под чувствительностью понимается отношение бесконечно малого изменения выходного воздействия к вызвавшему его бесконечно малому входному воздействию).

Положительная обратная связь усиливает выходное воздействие звена (или системы), приводит к повышению чувствительности и, как правило, к понижению устойчивости (часто к незатухающим и расходящимся колебаниям), ухудшению переходных процессов и динамических свойств.

Все виды взаимодействий в любой системе управления должны быть согласованы по точности и периодичности.

Точность взаимодействия - характеристика взаимодействия, отражающая степень близости его параметров к требуемому значению. Чем меньше параметры взаимодействия отклоняются от требуемых, то есть чем меньше его погрешность, тем выше точность взаимодействия, независимо от того, является ли погрешность систематической, случайной или содержит ту и другую составляющие.

Периодичность взаимодействия - характеристика взаимодействия, определяющая временные параметры взаимодействия.

Выделяют два вида систем управления: разомкнутые (без обратной связи) и замкнутые (с обратной связью).

Различают также многосвязные, многоконтурные системы управления. По характеру приспособления к изменяющимся условиям выделяют адаптивные системы управления.

Информационная система может быть автономной и может встраиваться в систему управления как подсистема, образуя автоматизированную систему управления отдельными частями и процессами.

Выделяют сосредоточенные и распределенные информационные системы управления.

Управляющая часть и объект управления взаимодействуют в информационном пространстве управления.

Важнейшее значение имеют технологии защиты информационного пространства управления от преднамеренных и непреднамеренных угроз, а также технологии правовых процессов в информационном пространстве управления.

Все процессы управления и взаимодействия с внешней средой происходят в среде управления.

Различают информационные ресурсы, поступающие из внешней среды - входная информация, и информационные ресурсы, выдаваемые во внешнюю среду - выходная информация.

Входная информация содержит потоки заданий, потоки критериев и потоки нормативов.

Основные понятия теории управления

Понятие о системах управления. Роль информации в управлении. Виды систем управления

Так, например, в энергосистемах должны поддерживаться на постоянном уровне величины напряжения и частоты, в космонавтике необходимо обеспечить движение космического корабля в пространстве по заданной траектории. В экономике необходимо обеспечивать устойчивый равновесный рост.

Создание условий, обеспечивающих требуемое протекание процесса, называется управлением. Управление направлено на достижение определенной цели.

В 40-х годах двадцатого столетия теория управления сформировалась в качестве самостоятельной научной дисциплины, изучающей методы анализа и синтеза систем автоматического управления в технике независимо от их физической природы.

В эти же годы возникла новая научная дисциплина - кибернетика. Слово «кибернетика» происходит от двух греческих слов: «кибер» (в переводе «над») и «наутис» (моряк), т.е. «кибернаутис» - старший над моряками. Греческий философ Платон использовал термин «кибернетика» для названия искусства управления обществом. В 1948 году американский ученый Норберт Винер снова ввел этот термин, определив кибернетику как науку об управлении и связи в живой и неживой природе.

Одно из основных положений кибернетики состоит в том, что управление - это процесс переработки информации. Методы кибернетики находят применение не только при исследованиях процессов управления в неживой природе, но и при исследовании процессов управления в живых организмах и в обществе. Поэтому автоматику рассматривают как раздел кибернетики, посвященный изучению систем автоматического управления в технике (техническая кибернетика).

Агрегат, машина, аппарат, комплекс машин или аппаратов, коллектив предприятия и т.д., в которых протекает процесс, подлежащий управлению, называется объектом управления.

В процессе управления можно выделить следующие элементы:

· Первый - получение информации о цели (задаче) управления;

· Второй элемент - получение информации о состоянии объекта управления, т.е. о результатах управления;

· Третий элемент - анализ полученной информации и принятие решений о требуемых управляемых действиях. Это задача лица принимающего решение;

· Четвертый элемент - исполнение принятого решения.

В общем случае процесс управления состоит из получения информации о цели управления, получения информации о результатах управления (поведении управляемого объекта), анализа полученной информации и выработки решения и, наконец, исполнения принятого решения. Для осуществления процесса управления необходимо иметь источники информации о цели и результатах управления, устройство для анализа информации и принятия решения, устройство, реализующее принятое решение (исполнительное устройство).

В целом ряде случаев человек не в состоянии управлять процессом. Так, человек при помощи своих органов чувств не всегда может получать информацию, необходимую для управления. Человек без приборов не может измерять напряжение электрического тока, температуру расплавленного металла, интенсивность радиоактивного излучения, высоту летящего самолета, параметры экономики и другие величины.

Поэтому для получения информации о результатах управления необходимо использовать специальные технические устройства (датчики, измерительные приборы и др.).

Большие скорости протекания управляемых процессов требуют соответственной скорости обработки информации и принятия управляющих решений. Исполнение принятого решения часто требует большой скорости его выполнения и быстродействующих средств обработки информации.

Если элементы процесса управления осуществляются специально созданным техническим устройством, без непосредственного участия человека, то такое управление называется автоматическим.

Автоматически действующее устройство, предназначенное для реализации процесса управления, называется автоматическим управляющим устройством.

В литературе для краткости часто для обозначения автоматических управляющих устройств используются термины «управляющее устройство» и «регулятор».

Когда управление осуществляется совместными действиями технических устройств и человека, то такое управление называют автоматизированным. В этих случаях технические устройства «решают» алгоритмически определенные задачи управления, а также обеспечивают информацией человека, который решает более сложные неформализуемые (нестандартные) задачи управления.

Разновидностью управления является регулирование. Дадим более полные определения понятиям «автоматическое регулирование» и «автоматическое управление».

Автоматическим регулированием называется поддержание постоянной или изменение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс.

Автоматическим управлением называется автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.

Совокупность объекта управления и управляющего устройства (регулятора) называется системой автоматического управления (регулирования).

Любой процесс управления - это процесс переработки информации. Формой представления информации является сообщение (текст, цифровые данные, графики). Сообщение отображается сигналом, которым является некоторая изменяющаяся физическая величина любой природы, например электрическая, механическая, оптическая и др.

Объект автоматического управления

Объектом управления может быть машина, аппарат, установка, комплекс машин или аппаратов, цех или предприятие. В системах управления часто объектами управления являются системы автоматического регулирования.

Состояние объекта или системы характеризуется совокупностью переменных величин - параметров состояния (переменных состояния).

Переменные, характеризующие состояние объекта управления, по которым ведется управление, называются управляемыми переменными. Их также называют выходными переменными или выходом.

Величины, характеризующие внешнее влияние на объект, называются входными воздействиями или входными сигналами (входом). Воздействия на объект, вырабатываемые управляющим устройством, называют управляющими воздействиями.

Внешнее воздействие, определяющее требуемый закон изменения управляемой величины, называется задающим воздействием. Это воздействие поступает от специального задающего устройства (элемента).

Воздействия на объект, не зависящие от системы управления, называются возмущающими воздействиями (возмущениями). Различают два вида возмущающих воздействий:

· нагрузка;

· помехи.

Нагрузкой является внешнее воздействие, приложенное к управляемому объекту, не зависящее от управляющего устройства и являющееся причиной изменения режима работы объекта.

Помехи - это внешние воздействия на отдельные элементы управляющего устройства или объекта управления, не содержащие информации, необходимой для управления. Помехами являются ошибки измерительных приборов, сбой в электронных машинах и другие нежелательные явления.

Реальные сигналы в системе управления всегда являются смесью полезного сигнала и помехи.

На рис. 1.2 схематически показаны переменные, характеризующие воздействия и состояние объекта управления.

Здесь:

- совокупность управляемых (выходных) переменных обозначена вектором

- совокупность управляющих воздействий - вектором

- задающих воздействий вектором -

- возмущающих воздействий - вектором .

Совокупность переменных, характеризующая состояние объекта управления, обозначим вектором . Если считать, что в системе осуществляется управление всеми координатами состояния объекта, то векторы х и у совпадают.

В общем случае вектор у является нелинейной векторной функцией управляющих переменных и внешних воздействий:

 (1)

Координаты векторов и и у называют соответственно управляющими и управляемыми координатами.

Если объект управления характеризуется одной управляющей и одной управляемой величиной, т.е. векторы у и и имеют по одной координате, то объект называется простым, одномерным или односвязным.

Если векторы у и и имеют несколько координат, то объект называется многомерным.

При наличии нескольких взаимно связанных координат векторов
у и и - объект называют многосвязным.

Правило или функциональная зависимость, в соответствии с которой управляющее устройство формирует управляющее воздействие называется законом или алгоритмом управления.

В общем случае эта зависимость может быть записана так:

(2)

где F - некоторая, в общем случае нелинейная векторная функция от управляемых переменных у, задающих воздействий g и возмущающих воздействий f.

Каждый объект управления может рассматриваться в условиях статики и динамики.

В условиях статики компоненты векторов у и и являются постоянными величинами.

При изучении динамики объекта исследуется зависимость компонент вектора у от времени, т.е. .

Параметры объекта могут быть сосредоточенными (постоянными по всем геометрическим координатам) и распределенными (переменными хотя бы по одной координате). Естественно, в первом случае используются обыкновенные дифференциальные уравнения, во втором - дифференциальные уравнения в частных производных (аргументы - время и, по крайней мере, одна геометрическая координата).

Для систем, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями, можно написать

i =1, 2, …, n. (3)

Для решения этой системы уравнений должны быть заданы начальные условия.

Если система уравнений (3) может быть сведена к системе линейных дифференциальных уравнений, то объект называется линейным. При описании объекта системой нелинейных дифференциальных уравнений его относят к нелинейным.

При изучении статики определяют характер зависимости управляемых координат у от управляющего воздействия и, называемой статической характеристикой объекта.

Объект управления может быть устойчивым, неустойчивым и нейтральным.

Объект устойчив, если после кратковременного внешнего воздействия он с течением времени возвратится к исходному состоянию или состоянию, близкому к нему.

Различают устойчивость «в малом» и устойчивость «в большом». Некоторые нелинейные объекты могут быть устойчивы «в малом», т.е. при воздействиях, не превышающих определенные пределы, и неустойчивы «в большом», т.е. при воздействиях, больших некоторой величины.

Координата у_i в устойчивом объекте возвращается в исходное состояние после воздействия u продолжительностью .

В неустойчивом объекте после окончания воздействия отклонение от начальной величины управляемой координаты продолжает увеличиваться.

Нейтральными объектами являются такие объекты, в которых по окончании воздействия устанавливается новое состояние равновесия, которое зависит от произведенного воздействия.

Механической аналогией здесь является шарик. В лунке его положение устойчиво, на вершине холма - неустойчиво, а на плоскости он в любом месте находится в равновесии.

Принципы автоматического управления

Системы управления разделяются на замкнутые и разомкнутые.

В разомкнутой системе управляющее воздействие вырабатывается на основе информации о величине возмущающих воздействий, характеристиках объекта и цели управления. В таких системах управляющее устройство не получает информации о результатах управления. Такое управление называют жестким.

В замкнутой системе управляющее воздействие вырабатывается на основе информации о характеристиках объекта, цели и результатах управления. В таких системах осуществлен замкнутый цикл передачи воздействий, т.е. значение управляемой величины на выходе объекта влияет на значение управляющей величины на входе объекта, т.е. эта система с обратной связью. Обратной связью называется подача сигнала с выхода какого-нибудь устройства на его вход.

В разомкнутой системе реализуется принцип управления по возмущению.

Основным недостатком разомкнутых систем является то, что в них необходимо измерять и компенсировать отдельно влияние каждого возмущающего воздействия.

Важным достоинством разомкнутых систем является их простота, и они широко используются для решения относительно простых задач управления.

В замкнутой системе управления для формирования управляющего воздействия используется отклонение текущего значения управляемой величины от требуемого значения.

Если обозначить требуемый закон изменения управляемой величины через g(t), то, принцип автоматического управления построен на использовании для управления объектом величины

(4)

называемой ошибкой или рассогласованием системы.

Величина отличающаяся от только знаком:

(5)

называется отклонением.

Принцип управления, основанный на использовании отклонения для формирования управляющего воздействия u(t) носит название управление по отклонению.

Для его реализации необходимо измерить величину у(t), сравнить ее с величиной g(t) и в зависимости от величины или осуществлять управляющее воздействие на объект, сводя величину отклонения к минимуму или нулю, и тем самым обеспечить изменение управляемой величины по заданному закону.

При управляющее воздействие должно увеличивать управляемую величину у, а при - уменьшать.

При управляемая величина имеет требуемое значение и величина управляющего воздействия u(t) должна быть равной нулю.

Важным преимуществом систем управления, работающих на принципе управления по отклонению, является отсутствие жестких требований к стабильности характеристик элементов управляющего устройства и объекта. Это связано с тем, что изменение параметров управляющего устройства или объекта вызывает появление ошибки (отклонения), которая обнаруживается системой и ликвидируется при помощи управляющего устройства.

Следует отметить, что в системах управления работающих на принципе управления по отклонению, к точности устройств, измеряющих величину отклонения, предъявляются весьма жесткие требования.

Системы управления, работающие по отклонению, представляют собой системы с обратной связью.

В зависимости от того, прибавляется сигнал обратной связи к входному сигналу или вычитается из него, имеет место положительная или отрицательная обратная связь.

Наряду с важными достоинствами, системам с обратной связью присущи и некоторые недостатки:

· Во-первых, для управления по отклонению необходимо наличие отклонения, т.е., прежде чем ликвидировать отклонение, необходимо, чтобы оно сформировалось;

· Во-вторых, в замкнутых системах возможно возникновение колебаний.

Оба этих недостатка отсутствуют в системах управления, работающих по возмущению. Поэтому для повышения точности систем управления применяются комбинированные системы управления, построенные на использовании сочетания обоих основных принципов управления - по возмущению и отклонению.

Системы комбинированного управления представляют собой один из наиболее совершенных типов. Они находят широкое применение в тех случаях, когда предъявляются высокие требования к точности управления. Для применения комбинированного управления необходимо иметь возможность измерять основные возмущающие воздействия.

Функциональная схема системы автоматического управления

Функциональной схемой называется схема, отражающая взаимодействие элементов и устройств автоматики в процессе работы системы управления.

При этом под элементом, как правило, подразумевается конструктивно обособленная часть системы управления, выполняющая одну определенную функцию.

На функциональной схеме элементы изображаются в виде прямоугольников, а входные и выходные величины (сигналы) - в виде прямых линий со стрелками, указывающими направление передачи воздействий (сигналов).

Все многообразие входящих в систему управления элементов обеспечивающих выполнение ИТ по их функциональному назначению в системе управления может быть разбито на несколько типов.

Элемент сравнения является сумматором и обозначается кружком с секторами. Сектор, к которому суммируемая величина подводится со знаком «+», не зачерняется; сектор, к которому суммируемая величина подводится со знаком «- «, зачерняется.

Кроме перечисленных устройств в системе управления могут использоваться корректирующие устройства, предназначенные для улучшения свойств системы.

Совокупность всех элементов системы, кроме объекта управления, образует управляющее устройство, или регулятор. Управляющее устройство изменяет состояние объекта управления путем воздействия на его управляющий (регулирующий) орган.

Управляющий орган является частью системы управления.

Чувствительный элемент предназначен для получения сигнала о состоянии объекта управления, т.е. для измерения выходной координаты объекта управления. Этот сигнал в элементе сравнения вычитается из сигнала задающего элемента. Полученная разность и есть величина рассогласования. После преобразования в ПЭ сигнал поступает к исполнительному элементу, воздействующему на управляющий орган объекта. В некоторых системах управления отдельные из указанных элементов могут отсутствовать или функции нескольких из них может выполнять одно техническое устройство.

Классификация систем управления

По принципу действия, как было показано ранее, выделены системы управления, работающие по замкнутому циклу, работающие по разомкнутому циклу и комбинированные системы.

В зависимости от назначения системы управления делят на системы стабилизации, программного управления, следящие системы.

Системы стабилизации предназначены для поддержания постоянного значения управляемой величины y(t). В этих системах задающее воздействие .

Системы программного управления предназначены для изменения управляемой величины y(t) по заранее заданной программе, называемой программой управления. В таких системах задающее воздействие является заранее известной функцией времени:

(6)

или некоторой другой величины k:

(7)

Системы программного управления, как и системы стабилизации, могут быть замкнутыми, разомкнутыми и комбинированными.

Следящие системы предназначены для изменения управляемой величины y(t) по закону g(t), который заранее неизвестен.

Следящие системы представляют собой замкнутые системы, реализующие принцип управления по ошибке (отклонению).

По характеру зависимости регулируемой величины от возмущающего воздействия в установившемся режиме системы управления делятся на статические и астатические.

Предел, к которому стремится ошибка системы управления с течением времени, называется установившейся ошибкой системы автоматического регулирования:

(8)

Система управления называется статической (или обладающей статизмом) по отношению к данному внешнему воздействию, если установившаяся ошибка обусловленная этим воздействием, отлична от нуля.

Система управления называется астатической (или обладающей астатизмом) по отношению к какому-либо внешнему воздействию, если установившаяся ошибка, обусловленная этим воздействием, равна нулю.

В системах стабилизации при действии нескольких возмущений стремятся обеспечить, если это возможно, астатизм по основному возмущению.

Замкнутая система управления или регулирования имеет хотя бы одну обратную связь, которая передает на вход сравнивающего элемента действительное значение управляемой величины. Эта обратная связь называется главной.

Системы управления, имеющие только одну (главную) обратную связь, называются одноконтурными. В таких системах сигнал, приложенный к какому-либо элементу системы, может, пройдя через систему, вернуться в исходную точку только по одному пути.

Системы управления, кроме главной обратной связи, могут иметь несколько дополнительных местных обратных связей в корректирующих или исполнительных элементах системы для придания ей нужных свойств.

Так, например, для того чтобы получить астатическую систему из статической, в последнюю включают корректирующую цепь с элементом, который подает на вход чувствительного или исполнительного элемента интеграл от сигнала ошибки системы.

Системы управления, имеющие одну или несколько местных обратных связей, называются многоконтурными. В таких системах воздействие, приложенное к некоторому элементу, может обойти систему и вернуться в исходную точку по нескольким путям.

По способности к самоприспосабливанию системы управления (СУ) делят на системы без самоприспосабливания (обыкновенные СУ) и системы самоприспосабливающиеся (адаптивные).

Адаптивные СУ способны обеспечивать выполнение задачи управления в тех случаях, когда характеристики объекта и возмущающих воздействий либо неизвестны заранее, либо существенно изменяются непредвиденным образом.

Адаптивная система выполняет две задачи - изучение объекта и управление им; поэтому такие системы также называют системами дуального управления.

Задача управления в адаптивных системах состоит в поддержании на заданном или экстремальном уровне показателя качества системы.

Показатель качества - это некоторая физическая величина, значение которой зависит от параметров системы и алгоритма управления.

Показателем качества СУ может быть время переходного процесса (быстродействие), расход ресурсов на управление объектом и другие показатели.

Адаптивные СУ - сложные системы, и поэтому их целесообразно применять в тех случаях, когда обыкновенные СУ не в состоянии обеспечить необходимое качество управления.

В зависимости от числа управляемых величин, т.е. от того, является ли величина у скаляром или вектором, СУ принято делить на одномерные и многомерные.

Многомерные объекты управления имеют несколько управляющих органов, для перемещения каждого из которых используется своя одномерная система управления.

Многомерные системы управления существенно сложнее одномерных систем. Однако во многих практически важных случаях задачу исследования многомерной системы удается свести к изолированному рассмотрению входящих в нее одномерных систем.

По своей структуре все многомерные системы являются многоконтурными.

По виду используемых сигналов СУ можно подразделить на непрерывные и дискретные системы.

Приведенная классификация СУ не является исчерпывающей. Необходимые добавления к ней связаны с особенностями принятия управленческих решений.

управление информационный модель теория

Задачи теории управления

· анализ систем управления;

· синтез систем управления;

Задача анализа состоит в исследовании процесса работы определенной системы управления с заданной структурой и элементами при различных параметрах элементов и различных видах воздействий на систему. В задачу анализа входит исследование устойчивости систем, исследование динамических и статических отклонений, происходящих при процессах правления.

Задача синтеза является более сложной и состоит в построении системы управления; в нее входит выбор схемы управляющих устройств, элементов и их параметров, соединение автоматизированной и неавтоматизированной части, реализующих информационную технологию управления.

Специфика построения систем организационного управления, где основным элементом объекта управления и управляющей части выступает управленческий персонал, рассматривается в курсах «Основы менеджмента».

Основные термины и их определение в области информационных технологий

Общие термины