1. Основные определения и понятия теории управления

1.1. Объекты и процессы управления. Виды управления

В технике, экономике, социологии и экологии всё в большей степени возникают задачи управления соответствующими объектами, причём непременно растёт сложность этих задач, которая связана как с природой исследуемых процессов, так и с объёмом информации, необходимой для реализации эффективного управления. Особенно усложняются проблемы управления в системах «человек – машина», где наряду с чисто техническими задачами ставятся задачи эффективного управления системами организационно-технического, экономического и социального характера.

Прежде чем определить суть понятия управления, видов управления и принципов управления рассмотрим понятие объекта управления (ОУ) как некоторой целостной системы определённой природы, для которой мы собираемся определить процесс управления.

П редставим ОУ как систему (рис 1.1), для которой прежде всего можно указать входное воздействие , состоящее из нецеленаправленных детерминированных и случайных внешних воздействий окружающей среды и целенаправленных управляющих воздействий. Место ввода входного воздействия не обязательно должно быть локальным, хотя зачастую это воздействие называют входом. Входное воздействие приводит к изменению определённых внутренних параметров системы, которые описывают состояние системы .

Если среди координат имеются свободные параметры, которыми может распоряжаться некоторый субъект (или субъекты), то существует возможность менять состояния системы в соответствии с интересами субъекта (субъектов). Эти параметры и являются управляющими для ОУ.

Тогда из всего пространства входных воздействий выделим внешнее возмущающее воздействие случайного характера – , внешнее детерминированное воздействие – , управляющее воздействие – и исходную систему можно представить в ином виде (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Объект управления с входом , и

и состоянием , где

Таким образом, задача управления объектом сводится к тому, чтобы выбрать необходимые управляющие воздействия , которые даже при возмущающих воздействиях обеспечили бы в любой момент времени заданные значения состояния системы или приводили бы к постоянству некоторого состояния системы (это так называемая задача регулирования).

Чаще всего невозможно говорить о непосредственном «готовом» управляющем воздействием на ОУ, а необходимо учитывать структуры, в которых формируется это воздействие. Для технических систем в задачах регулирования это устройство – регулятор, а в общем случае будем говорить об управляющей системе (УС), независимо от природы этой системы и типа управления.

Выделим два важных типа управления: по разомкнутому и замкнутому контуру.

В первом случае (рис. 1.3) отсутствует непосредственная связь между управлением и состоянием, а управление в каждый момент времени зависит только от начального состояния системы и времени :

.

Такое управление называется программным.

При управлении по замкнутому контуру управляющее воздействие в СУ формируется на основе информации о текущем состоянии системы и имеет вид, как на рис. 1.4, а функционально представимо в виде

.

В последнем случае контур от через УС на вход ОУ называется обратной связью (ОС) или, так как она охватывает целиком систему ОУ+УС, её называют главной обратной связью.

Процесс управления, осуществляемый без участия человека, называется автоматическим. Такая схема управления является типичной для многих технических систем, в которых может быть осуществлён автоматический режим программного управления или управления с обратной связью.

Совокупность всех устройств, обеспечивающих автоматическое управление, называется системой автоматического управления (САУ), а если система обеспечивает стабилизацию управляемых величин в заданных пределах, то она называется системой автоматического регулирования (САР).

Схема системы управления, представленная как совокупность элементов, выполняющих определённое функциональное назначение и связанных информационными (сигнальными) потоками, называется функциональной схемой системы. Как мы увидим чуть позже, такие схемы позволяют выполнять анализ различных по своей природе систем с позиций некоторых общих требований и законов.

Здесь мы не ограничиваем себя тем, что под элементом системы будем понимать только некоторые технические устройства. Так, распространённые сегодня автоматизированные системы управления (АСУ) в своих функциональных схемах в качестве элементов (рис. 1.5.) содержат как технические устройства, так и коллективы специалистов, аналитиков, исполнителей и т.п.

Если объект управления относится к типу технических, то системы, построенные по указанному принципу, называются автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУТП), а если ОУ системы производственно- экономической или социальной природы, то система управления им относится к автоматизированным системам организационного управления (АСОУ).

Сейчас всё более широко исследуется и внедряется интегрированное управление, реализуемое интегрированными автоматизированными системами управления (ИАСУ). В системах такого типа объектами управления являются технические, технико-экономические, социальные и экологические подсистемы. ИАСУ создаются и функционируют на основе ЭВМ и экономико-математических методов, используемых для управления техническими объектами и процессами, для планирования, контроля, анализа и регулирования производства в целом. Все процессы сбора, предварительной обработки, анализа и передачи информации производятся комбинированным образом – как с помощью автоматических средств, так и специально созданной системой сбора, регистрации и передачи информации технологического и производственно-экономического характера.

Анализируя схему автоматизированного управления (рис. 1.5), можно полагать, что такое управление осуществляется по разомкнутому циклу, однако учитывая нынешнее развитие интеллектуальных возможностей интегрированных компьютеризированных систем управления, можно говорить о замыкании обратной связи в схеме управления.

Систему автоматизированного проектирования систем (САПР) определим как интегрированную автоматизированную систему управления, объектом управления которой является процесс выбора проектных решений на основании технологических, экономико-экологических моделей, конструкций, планировочных вариантов и т.п.

Таким образом, схема видов управлений и типов систем может быть представлена, как на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Виды управления и типы систем управления

Следует отметить, что и автоматическое и автоматизированное управление базируются на одних и тех же принципах и методах. Различие состоит лишь в том, что автоматизированное управление осуществляется в больших и/или сложных системах, где формализованное описание процессов весьма затруднено, а иногда пока и невозможно.

Этот факт потребовал более глубокой разработки методов и средств управления, реализуемого в автоматизированных системах, а также создания ряда специфических методов анализа и синтеза сложных систем управления.