Часть 1. Общие сведения о системах и теории управления

1. Основные понятия теории управления

1.1. Понятия об управлении и системах управления

Под управлением понимается совокупность операций по организации некоторого процесса для достижения определенных целей.

Рассмотрим пример процесса судовождения (рис. 1.1). Целью управления является поддержание курса движущегося судна  равным заданному _З. Говорят, что судно является объектом управления. Возмущающие воздействия f — ветер, волны, течения — приводят к отклонению курса от заданного  = _З —. Для ослабления влияния возмущений и ликвидации отклонения используется управляющий орган — руль. Изменение положения руля  является управляющим воздействием — завершающей операцией по организации процесса судовождения для достижения заданного курса.

Рис. 1.1. Пример процесса управления

Анализируя пример управления судном, можно выделить следующие операции:

1 — получение информации о цели (заданном курсе);

2 — получение информации о состоянии процесса и среды;

3 — выявление соответствия цели текущего состояния процесса и принятие решения об оказании управляющего воздействия на объект (можно предположить, что полученная информация обрабатывается по некоторому алгоритму);

4 — исполнение принятого решения.

Первые две операции отражают информационный аспект, третья операция — алгоритмический, а четвертая — энергетический аспект управления.

Если все операции управления осуществляются человеком, то это ручное управление. Судно крупного тоннажа обычно снабжено приводом руля (рулевой машиной), т.е. человек освобожден от физических усилий. В подобных случаях говорят о механизированном управлении. Для этого необходимы исполнительный механизм и источник энергии. Автоматическое управление осуществляется без непосредственного участия человека. При этом не только энергетические, но также информационные и алгоритмические операции управления передаются автоматам.

Операции автоматического управления реализуются в следующих основных функциональных элементах: объекте управления, измерительных элементах, управляющем устройстве и исполнительном механизме.

На рис.1.2 условно изображена система управления (СУ) курсом судна. Объектом является движущееся судно; роль измерительного элемента играет гироскопический компас (ГК), ось которого направлена вдоль заданного курса; авторулевой — управляющее устройство; привод руля является исполнительным механизмом. Линии со стрелками указывают направление причинно-следственных связей элементов.

Предполагается, что элементы СУ обладают свойством однонаправленности. Например, изменение курса судна приводит к изменению сигнала на выходе гироскопического компаса, но изменение этого сигнала, очевидно, не может изменить курс судна. Изменение положения руля приводит к изменению курса движущегося судна, но изменение курса не может изменять положение руля. Свойство однонаправленности элементов, причинно-следственный характер их взаимодействия являются принципиальной особенностью подхода, принятого в теории управления.

Рис. 1.2. Система управления курсом судна

Схема, изображенная на рис. 1.2, является первым уровнем абстракции, необходимой для последующего анализа системы управления. На схеме выделены и упрощенно изображены конкретные элементы системы — судно, привод руля, гирокомпас и др.

Теория управления изучает закономерности управления, присущие объектам любой природы, поэтому имеет дело с более абстрактными описаниями. Следующий уровень абстракции иллюстрирует рис.1.3, где приведена структура системы с указанием функций элементов: объект управления (ОУ); исполнительный механизм (ИМ); управляющее устройство (УУ); измерительный элемент (ИЭ). Там же даны и обозначения основных переменных систем управления: y — управляемая переменная (выход объекта и системы); u — управляющее воздействие (информационное); g — задающее воздействие (цель управления); f — возмущающее воздействие среды. Схема на рис. 1.3 является достаточно общей и отражает существенные черты систем управления с обратной связью.

Рис. 1.3. Структура системы управления с обратной связью

Обратим внимание на то, что “физический” объект в окружении измерительного элемента ИЭ и исполнительного механизма ИМ естественно интерпретировать как преобразователь информации, так как переменные входа и выхода такого “расширенного” объекта управления являются маломощными сигналами — носителями информации. Так происходит отвлечение от энергетических, материальных и иных особенностей процессов, реализуемых в объектах и других элементах. Система управления (см. рис. 1.3) образуется совокупностью элементов и связей между ними, трактуемых как преобразователи и каналы передачи информации.

Совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов образует систему управления, если она способна к достижению цели. Системы управления представляют собой класс динамических систем, отличающихся наличием цели и специальной организации, позволяющей достигать поставленную цель. Подобные системы функционируют в живой и неживой природе, в самых различных областях техники, экономики, биологии. Однако, независимо от области функционирования, их объединяет в особый класс ряд системных свойств и признаков.