Основные понятия теории управления. Принципы управления

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные понятия теории управления. Принципы управления

1. Понятия об управлении и системах управления

Составляющие процесса управления

Под управлением будем понимать совокупность мероприятий по организации процесса для достижения поставленной цели.

Необходимые составляющие процесса управления рассмотрим на примере движения судна см.рис.1.

Рис.1.

Целью процесса управления в данном случае является поддержание объектом управления (ОУ) заданного курса з. При движении ОУ (судно) подвергается возмущающему воздействию fв (волны, порывы ветра), в результате чего текущий курс в некоторый момент времени будет отличаться от заданного з. Информация о цели и о текущем состоянии процесса управления поступает на управляющее устройство (УУ). В УУ сравниваются цель и текущее состояние, оценивается их рассогласование и вырабатывается управляющее воздействие на регулирующий орган ОУ. В данном случае регулирующий орган ОУ - руль; управляющее воздействие - угол поворота руля.

УУ «принимает решение», то есть вырабатывает управляющее воздействие на основе величины рассогласования и в соответствии с некоторым алгоритмом управления - законом управления. Это управляющее воздействие должно минимизировать рассогласование между целью и состоянием процесса управления с заданной точностью и за требуемое время.

Рассмотренный пример содержит все необходимые аспекты, то есть все перечисленные ниже составляющие процесса управления любым объектом.

Наличие четко формализованной цели управления. В данном случае это требуемый курс судна з,

Контроль за текущим состоянием процесса управления. В данном случае это истиный курс судна ,

Сопоставление цели и состояния процесса, оценка рассогласования и принятие решения, то есть выработка управляющего воздействия,

Исполнение решения - непосредственное действие на регулирующий орган ОУ.

Отсутствие хотя бы одной из перечисленных составляющих или их неправильная организация делают невозможным осуществление процесса управления либо вообще, либо с достаточно высоким качеством.

Для организации процесса управления конкретным объектом помимо УУ необходимы измерительные устройства для получения информации о текущем состоянии, а также усилительно-преобразовательные устройства и исполнительные механизмы, назначением которых является согласование сигналов по физической природе, по мощности и динамическому диапазону. Все эти взаимосвязанные и взаимодействующие функциональные устройства в совокупности с ОУ и образуют систему управления (СУ).

2. Принципы управления

Несмотря на многообразие ОУ, можно сформулировать лишь несколько основополагающих принципов управления. Реализация того или иного принципа управления определяет вид общей структуры СУ.

Независимо от того, как организован процесс управления, в любой СУ должен присутствовать прямой канал передачи управляющего воздействия fу к той выходной координате y, которая должна это управляющее воздействие «воспроизводить» -рис.1.2.

Рис.2

Здесь изображена укрупненная структура; ОУ может содержать усилительные, преобразовательные и другие функциональные звенья.

Принципы управления разделяются по способу контроля за текущим состоянием процесса управления.

Принцип разомкнутого управления

Структура на рис.1.2 собственно и реализует принцип разомкнутого управления. По-существу, здесь не производится учет текущей информации о состоянии процесса управления.

Этот принцип может быть использован только в тех случаях, когда сигнальное возмущающее воздействие fв незначительно, вариации параметров (параметрические возмущения) всех функциональных устройств также малы, математическое описание СУ известно и достоверно, а требования к качеству процесса управления не слишком высоки. Таким образом, использование принципа разомкнутого управления весьма ограничено.

Принцип компенсации

При реализации принципа компенсации учет информации о текущем состоянии процесса управления производится путем непосредственного измерения возмущающего воздействия -см.рис.3.

Рис.3

Структурной особенностью СУ, реализующих принцип компенсации, является наличие дополнительного пути прохождения возмущающего воздействия на структурной схеме модели системы.

Принцип компенсации возмущения используется в тех случаях, когда имеется глобальное (по сравнению с другими) и поддающееся измерению сигнальное возмущение.

Очевидно, что влияние параметрических возмущений и неопределенность параметров операторов функциональных звеньев в данном случае не учитываются, не ослабляются и непосредственно ухудшают качество процесса управления.

Принцип замкнутого управления

При реализации принципа замкнутого управления учет информации о текущем состоянии процесса управления производится путем непосредственного измерения управляемой координаты -см.рис.1.4.

Структурной особенностью СУ, реализующих принцип замкнутого управления, является наличие на структурной схеме модели системы замкнутого пути - контура, образуемого при передаче текущей информации от управляемой координаты к УУ. Поэтому такой принцип управления получил также название принцип обратной связи.

Рис.4

Существенной особенностью замкнутого управления является то обстоятельство, что не имеют значения причины, вызвавшие отклонение процесса от цели управления. Ими могут являться множество сигнальных и параметрических возмущений, неточность математического описания функциональных звеньев. В связи с этим рассматриваемый принцип более универсален и он получил широкое распространение.

Следует отметить, что выработка УУ нового управляющего воздействия для реагирования на изменившееся текущее состояние может произойти только после факта отклонения текущего состояния от цели и появления рассогласования. Поэтому такой принцип управления называется также управлением по отклонению.

Принцип комбинированного управления

Этот принцип является комбинацией (объединением) принципов компенсации и замкнутого управления -см.рис.5.

Рис.5

Комбинированный принцип целесообразно использовать при высоких требованиях к качеству процесса управления и в том случае, если есть преобладающее и доступное для измерения сигнальное возмущение. Это возмущение компенсируется созданием дополнительного пути, а влияние всех остальных неучтенных сигнальных и параметрических возмущений уменьшается за счет контура отрицательной обратной связи.

3. Классификация систем управления

В основе любой классификации лежат признаки, по которым множество объектов подразделяется на подмножества - классы.

Системы управления можно классифицировать по различным признакам. Рассмотрим следующие признаки классификации:

информационный,

по типу сигналов,

алгоритмический,

энергетический.

Классификация систем управления по информационному признаку

СУ подразделяются по способу получения текущей информации о состоянии процесса управления. Поэтому рассматриваемая классификация подразделяет СУ как раз в соответствии с принципами управления - см.подразд.1.2.

Классификация систем управления по типу сигналов

Используемые в теории управления модели СУ как правило абстрагированы от физической природы сигналов. Сигналы (координаты, переменные) на входах и выходах функциональных звеньев рассматриваются как носители информации, в сами звенья - как преобразователи этих сигналов. Преобразование сигнала некоторым звеном призводится в соответствии с приданным (приписанным) этому звену оператором.

Непрерывные системы. В них информация кодируется уровнем (значением) функции непрерывного времени см.рис.6, а.

Рис.6

Цифровые системы. В них все переменные или их часть представляют собой дискретные сигналы. Квантование, или дискретизация сигналов может производиться как по уровню, так и по времени. Системы, в которых производится квантование сигнала по времени, а мгновенное значение непрерывного сигнала на выходе какого-либо аналогового звена (звеньев) в моменты квантования кодируется каким-либо параметром импульса (амплитудой, шириной, фазой), называются импульсными системами. На рис.1.6, б приведен пример квантования непрерывного сигнала с одинаковыми периодом следования T и длительностью импульсов, амплитуда которых несет информацию о значениях непрерывного сигнала (так называемая амплитудно-импульсная модуляция).

Системы переменного тока. Информация кодируется амплитудой переменного тока, то есть огибающей несущего сигнала см.рис.1.6, в.

Классификация систем управления по алгоритмам управления

На рис.7 приведена типовая структура СУ с единичной отрицательной обратной связью.

Рис.7

Единичная обратная связь означает, что вся информация о выходной координате передается на элемент сравнения, на выходе которго вырабатывается ошибка рассогласования e(t)= fу(t)y(t). Регулятор P на основе информации об ошибке, то есть по величине рассогласования цели (задающего воздействия fу(t)) и текущего состояния (управляемой координаты y(t)) вырабатывает управляющее воздействие на ОУ.

Регулятор функционирует в соответствии с заложенным в него алгоритмом, наываемым законом управления (законом регулирования).

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные - типовые законы управления для непрерывных СУ. При этом регулятор будем трактовать как устройство, преобразующее сигналы в соответствии с некоторым математическим оператором.

Пропорциональный закон (П-закон). Воздействие на объект прямо-пропорционально рассогласованию:

(t)=kPe(t). (1)

Интегральный закон (И-закон). Уровень воздействия на объект определяется суммарной ошибкой:

. (2)

Если продифференцировать выражение (2), то получим соотношение d(t)/dt=kIe(t), показывающее, что величина ошибки определяет скорость изменения управляющего воздействия. Отличительной особенностью И-закона управления является то обстоятельство, что установившиеся процессы в СУ могут существовать только при e(t)=0.

Пропорционально-интегральный закон (ПИ-закон). Представляет собой комбинацию первых двух:

. (3)

Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон (ПИД-закон). В дополнение к ПИ-закону формирует управляющее воздействие также и с учетом скорости изменения ошибки:

. (4)

Рассмотренные типовые законы управления (регулирования) часто используются в системах промышленной автоматики.

Классификация систем управления по энергетическому признаку

В зависимости от того, не используется или используется дополнительная (сторонняя) энергия для реализации (исполнения) принятого управляющим устройством решения, СУ подразделяются на системы прямого регулирования и системы непрямого регулирования (управления).

В системах прямого управления энергия, отбираемая измерительным устройством, достаточна для оказания воздействия на регулирующий орган объекта. При этом, как правило, такие функциональные элементы, как ИУ, УУ (вместе с элементом сравнения) и некоторый исполнительный механизм, оказываются конструктивно объединенными. В качестве примера можно указать на две СУ в автомобиле: система стабилизации уровня топлива в поплавковой камере карбюратора, а также система стабилизации температуры охлаждающей жидкости двигателя. Системы прямого регулирования характеризуются простотой и надежностью, но могут использоваться, когда применяется простой алгоритм управления и требования к точности процесса управления не высокие.

В системах непрямого управления функционально разделяются функции измерения (контроля за текущим состоянием процесса), принятия решения управляющим устройством (быть может, по сложному алгоритму) и исполнения решения. Для последней составляющей используются специальные исполнительные устройства и механизмы (сервоприводы), целью которых является преобразование управляющего сигнала по физической природе и усиление по величине и мощности.

По виду используемой для управления энергии различают электрические, механические, гидравлические, электрогидравлические и другие СУ.

4. Поведение объектов и систем управления

управление компенсация замкнутый

Теория управления оперирует математическими моделями объектов и СУ, которые описывают поведение систем, то есть их реакцию на управляющие и возмущающие воздействия. Как уже говорилось, функционирующие в этих моделях сигналы (координаты, переменные) абстрагированы от их физической природы. Это позволяет описывать и обобщать закономерности поведения в объектах и системах различного функционального назначения.

Поведение объектов управления

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассмотрим отдельно поведение судна как объекта управления без системы управления, представленной в подразд.1.1, рис.1.1. Будем считать, что управляющее воздействие на объект не меняется (руль судна закреплен). До момента времени t0 судно двигалось курсом , совпадающим с заданным з - см.рис.1.8. Пусть на этот объект с момента времени t0 и до t1 подействовало постоянное возмущение fв (боковой ветер), отклоняющее его с заданного курса з. Отклонение текущего курса от заданного будет возрастать - накапливаться, то есть интегрироваться. При прекращении действия возмущения (момент времени t1) новый установившийся курс уст останется без изменения; объект сам по себе не придет в исходное состояние, то есть не вернется к заданному курсу. Объекты такого типа называются нейтральными, или без самовыравнивания.

Рассмотрим другой объект - электродвигатель. Будем считать, что на холостом ходу (без нагрузки на валу) на двигатель подано управление, обеспечивающее ему скорость вращения холостого хода nхх - см.рис.1.9. Будем также считать, что управляющее воздействие меняться не будет. В момент времени t0 на валу двигателя произошло изменение нагрузки - момент сопротивления возрос от Mхх до некоторой величины M1. Это вызовет уменьшение скорости вращения, величина которой после окончания переходного процесса примет некоторое значение n1. После сброса нагрузки, то есть после прекращения дествия возмущения (момент времени t1) скорость вращения двигателя вернется к значению, существовавшему до приложения возмущения. Считается, что объекты такого типа обладают самовыравниванием и называются устойчивыми.

Приведем пример поведения другого объекта - баллистической ракеты на вертикальном участке активной траектории полета. В плане рассматриваемого процесса аналогами ракеты, «стоящей» на струе газа, являются механический маятник в верхнем положении равновесия, а также длинный шест, поставленный не горизонтальную плоскость. Очевидно, что при любом, даже малом возмущении начнется отклонение объекта от вертикали; это отклонение будет увеличиваться и после прекращения действия возмущения. Такие объекты называются неустойчивыми.

Рассмотрим также поведение маятника, находящегося в нижнем положении равновесия. Возмущающее воздействие отклонит маятник от этого положения на некоторый угол, и после прекращения действия возмущения маятник станет совершать колебательные движения. Про подобные объекты говорят, что они нейтральны, но находятся на колебательной границе устойчивости.

Размещено на Allbest.ru