Система управления

Объект управления и присоединенное к нему упра­вляющее устройство образуют систему управления.

Пусть x характеризует вход, определяющий цель функционирования системы управления S. Управляющая система (субъект управления) S_у вырабатывает сигналы управления (систему команд) m, направленные на управление объектом управления – системой S_о. На систему S оказывают влияние возмущающие воздействия ω. Для того чтобы сигналы управления m, вырабатываемые упра­вляющим устройством на основании обработки ин­формации x, могли изме­нять управляющие воздей­ствия Z, необходимы ор­ганы, изменяющие управ­ляющие воздействия в соответствии с сигналами управления – исполни­тельные органы (исполнительная система) S_и.

Результаты работы системы у по каналу обратной связи поступают на вход S_у, анализируются и используются для выработки последую­щих управляющих воздействий (рис.6.1).

Итак, система управления, состоящая из объекта управления (управляемой системы), субъекта управления (управляющей системы) и исполнительных органов (исполнительной системы), – это организованная динамическая система с обратной связью, в которой реализуются причинно-следственные связи с помощью каналов управления и обратной связи.

Вышеизложенное позволяет выполнить формализацию, которая определяет правила функционирования сис­темы управления ^ S.

В начале процесса управления: S_у вырабатывает сигналы управления m=F(у), исходя из цели управления и априорной информа­ции о законах функционирования системы во внешней среде А, если таковая имеется. Исполнительные органы трансформируют сигналы управления в управляющее воз­действие Z. Реакция объекта управления под действием управления Z и возмущающих воздействий ω состоит в отклике y.

На следующем шаге: подсистема S_у при принятии решений использует данные об у (фактическом) и прогнозные значения ω.

В системах управления решаются четыре основных типа задач управления: стабилизация, выполнение про­граммы, слежение и оптимизация.

Задачами стабилизации системы являются задачи под­держания некоторых ее выходных величин – управляе­мых величин y вблизи некоторых неизменных заданных значений y₀, несмотря на действие возмущений ω, влияю­щих на значения y. Так, для нормальной жизнедеятель­ности организма теплокровного животного должны быть стабилизированы такие величины, как температура тела, состав крови, давление крови, несмотря на измене­ния внешней среды. В системах энергоснабжения должны быть стабилизированы напряжение и частота тока в сети вне зависимости от изменения потребления энергии.

Задача выполнения программы возникает в случаях, когда заданные значения управляемых величин y₀ из­меняются во времени заранее известным образом. На­пример, при управлении баллистической ракетой ее вы­вод на заданную траекторию должен происходить по за­ранее известной программе y₀(t) изменения ее положения в пространстве и скорости. При управлении положением трубы телескопа с целью компенсации вращения Земли также нужно перемещать ее по определенной про­грамме. Аналогичная задача возникает в производстве при выполнении работ согласно заранее намеченному графику. В биологии яркими примерами действий "выпол­нение программы" являются развитие организма из яйце­клетки, сезонные перелеты птиц, метаморфоза насекомых.

За­дача слежения, т.е. как можно более точного соблюдения соответствия между текущим состоянием системы y(t) и значением y₀ (t), возникает в тех случаях, когда изменение заданных значений управляемых величин заранее неизвестно. Необходимость в сле­жении возникает, например, при управлении производ­ством товара в условиях непредвидимых изменений спроса, ритм и глубина дыхания должны следовать за изменениями физической нагрузки на организм, антенна радиолокатора должна следить за непредвидимыми движениями маневрирующего самолета.

В ряде случаев задача управления не может быть сформулирована как задача обеспечения соответствия со­стояния системы заданному ее состоянию (постоянному или изменяющемуся), поскольку сведения о заданном состоянии не могут быть ни заранее введены в систему управления, ни получены в процессе ее работы. Такая ситуация возникает, например, при управлении энерге­тическим агрегатом, работающим в сложных изменяю­щихся условиях, когда цель управления состоит в том, чтобы обеспечивать оптимальное (максимально возможное) значение коэффициента полезного действия агрегата в лю­бых режимах его работы.

Задачи оптимизации – уста­новления оптимального, в определенном смысле, режима работы управляемого объекта встречаются довольно часто. К ним относятся: управление экономической системой с целью максимизации прибыли, управление технологи­ческими процессами с целью минимизации потерь сырья и полуфабрикатов и многие другие.

Поскольку субъект управления S_у является системой, отметим главные условия ее существования.

Организованность: в системе управления выделяются элементы, которые относятся либо к управляющей, либо к управляемой подсис­теме, либо к исполнительным органам:

S = S_у SÈ_у È S_о

Разнообразие: каждая из двух выделенных подсистем должна допускать возможность появления нескольких (многих) состояний:

ZoÎМ, ZÎY, тÎX, yÎx_, ÏХ Æ Ï, Y Æ Ï, М,Æ ÏZo Æ

Проблема оценки разнообразия управляющей сис­темы и ее соотношения с разнообразием управляемого объекта имеет важное теоретическое и практическое значение.

Закон необходимого разнообразия формулируется У.Р.Эшби следующим образом: "Количество исходов управляемой системы, если оно минимально, может быть еще уменьшено только за счет соответствующего увеличения разнообразия управляющей системы". Это значит, что для решения задачи управления необходимо, чтобы ин­формационная мощность управляющей системы (или ее собственное информационное разнообразие) была не меньше разнообразия объекта управления (т е. решаемой задачи управления).

Если разнообразие задачи управления, измеряемой количеством информации, определить как V, а информационную мощность управ­ляющей системы W, то для осуществления перехода управляемого объекта из состояния в некоторое состояние ®u(t+1): u(t) u(t+1) не­обходимо, чтобы в каждый момент времени t выполнялось условие V(t).³W(t)

В реальных системах управления "полное" разнообразие объекта управления и воздействий внешней среды настолько велико, что по­следнее условие, вообще говоря, не выполняется. Поэтому управ­ляющая система формирует гомоморфную модель, использует прин­цип управления воздействием на "главный" фактор, прибегая к агре­гированию, линеаризации связей, аппроксимируя стохастические за­висимости детерминированными и пр.

К перечисленным условиям существования системы управления следует добавить:

динамичность, выражающуюся в зависимости всех параметров (управления, отклика, возмущений) от времени;

наличие прямых и обратных связей, обеспечивающих причинно-следственные зависимости в системе управления;

наличие цели управления, которая формализуется в виде макрофункции управляемой системы Ф = Ф(y);

управляемость, состоящую в том, что можно найти такое управляющее воздействие m, которое за конечное число шагов переводит систему в искомое состояние, обеспечивающее достижение цели.

Поскольку система управления имеет обратную связь, закон (алгоритм) управления, характеризующий значение в любой момент времени управляющего воздействия m(t), может быть определен через состояния системы в соответствующий момент времени.

Принцип, в соответствии с которым входные воздействия долж­ны вычисляться через состояния, был сформулирован Р.Беллманом, указавшим на его первостепенную значимость. В этом принципе заключена важнейшая идея теории управления. Это науч­ная интерпретация принципа "обратной связи", составляющего осно­ву любого управления.

Существенно, что в текущем состоянии системы содержится вся информация, необходимая для определения требуемого управляющего воздействия, поскольку, по определению динамической системы будущее поведение системы полностью определяется его нынешним состоянием и будущими управляющими воздействиями.

^ Оптимальное управление заключается в выборе и реализации таких управлений U,Îи которые являются наилучшими с точки зрения эффективности достижения цели управления.

Степень достижения цели управления характеризует критерий эффективности. Виды критериев эффективности и способы их формирования описаны в цитированном учебнике автора "Разработка управленческих решений".

Виды связей в системах управления

Вид соединения элементов, при котором выходное воздействие одного элемента передается на вход другого элемента, называется прямой связью. Прямая связь между двумя элементами системы мо­жет осуществляться непосредственно или через другие ее элементы. В случае опосредованного воздействия выходной сигнал одного эле­мента поступает на вход другого с передаточным коэффициентом промежуточного элемента.

Вид соединения элементов, при котором выходное воздействие одного элемента передается на вход того же самого элемента, называется обратной связью. Обратная связь может осуществляться либо непосредственно от выхода элемента системы на его вход, либо через другие элементы данной системы. Обратная связь бывает двух видов – внешняя и внутренняя. Внешней, или главной, называется такая связь, посредством которой осуществляется передача части выходного сигнала всей системы управления на ее вход. Внутренние, или местные, обратные связи соединяют выход отдельных элементов или групп последовательно соединенных элементов с их входом.

Различают положительную и отрицательную обратную связь. Если под действием обратной связи первоначальное отклонение управляемой величины у, вызванное входными воздействиями, уменьшается, то считают, что имеет место отрицательная обратная связь. В противном случае говорят о положительной обратной связи. Следовательно, положительная обратная связь усиливает действие входного сигнала отрицательная - ослабляет.

Положительная обратная связь используется во многих технических устройствах для увеличения коэффициента передачи. В экономике на принципе положительной обратной связи основаны системы материального стимулирования. Положительными являются обратные связи в схеме межотраслевого баланса. Примером использования отрицательной обратной связи является термостат.

Обычно положительная обратная связь приводит к неустойчивой работе системы, т.к. соответствует увеличению возникшего в системе отклонения. Отрицательная обратная связь способствует восстановлению равновесия в системе. Поэтому системы с отрицательной обратной связью являются относительно устойчивыми.

Если сигнал обратной связи пропорционален установившемуся значению входной величины и не зависит от времени и скорости изменения, то такая обратная связь называется жесткой. Сигналы гибкой обратной связи пропорциональны скорости изменения входной величины. Мерой величины обратной связи служит коэффициент обратной связи.

Обратная связь является одним из важнейших понятий кибернетики, оно помогает понять многие явления, происходящие в системе управления любой природы. В организационных системах обратные связи, поддерживаемые подсистемой контроллинга, используются для выработки управляющих сигналов, для выработки критерия эффективности управления и оценки качества управления. В биологических системах обратная связь обеспечивает поддержание в нормальном состоянии основных показателей жизнедеятельности: температуры и массы тела, уровень сахара и гемоглобина в крови, другие. В экономических системах обратная связь, обеспечиваемая социологическим мониторингом, играет важную роль в создании и поддержании эффективного управления.

Иерархические системы управления. Важный класс систем управления образуют системы произвольной природы (технические, экономические, биологические, социальные) и назначения, имеющие многоуровневую структуру в функциональном, организационном или каком-либо ином плане. Характерными признаками иерархических систем управления (ИСУ) являются: вертикальная декомпозиция сис­темы на подсистемы, приоритет подсистем верхнего уровня по отно­шению к нижележащим, наличие обратных связей между уровнями. Следует иметь в виду, что при декомпозиции на любых уровнях иерархии можно выделить описанную ранее триаду: управляющую систему (субъект управления), управляемую систему (объект управления) и исполнительную систему (исполнительные органы).

Широкое использование и универсальность ИСУ обусловлены рядом преимуществ по сравнению с системами радиального (централизо­ванного) управления:

• 
  свобода локальных действий в рамках наложенных ограничений;
• 
  возможности целесообразного сочетания локальных критериев функционирования отдельных подсистем и глобального критерия оп­тимальности системы в целом;
• 
  возможности сжатого, агрегированного предоставления по каналам обратной связи актуаль­ной информации о результатах управления;
• 
  повышенная надежность системы управления, наличие управляемости, адаптивности, организованности и ряда других свойств, специфичных для конкретных систем;
• 
  универсальность концепции управления и подходов к решению задач управления в ИСУ;
• 
  экономическая целесообразность по сравнению с системами управления иной структуры. Последнее качество требует обоснова­ния в каждом конкретном случае.

Теория управления ИСУ включает следующие основные разде­лы:

• 
  структурный анализ и синтез ИСУ;
• 
  проблема координации в ИСУ;
• 
  оптимизация функционирования ИСУ.

Принцип иерархичности управления является выражением цело­стности систем; он, предопределяя организованность, позволяет най­ти способы управления сложными системами. Если организованность системы отсутствует, невозможно определить задачи управления да­же для простых объектов.

Этот принцип предусматривает способ расчленения системы на элементы и взаимодействующие подсистемы и многоступенчатого построения управляющих систем, в которых функции управления распределяются между соподчиненными частями. В расчлененной системе одна часть оказывается "вложенной" в другую и является ее структурной составляющей. В такой системе существует взаимосвязь подсистем по одним отношениям и их свойствам и независимость по другим.

Поиск по сайту: