Пупков К.А., Коньков В.Г. - Интеллектуальные исследования (Современнаяя теория управления) (1072100), страница 31

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 31)

Авторы приносят благодарность Запиркину Д.В., Непряжкину А.Ю., Нагорному И.О. за помощь при подготовке рукописи к изданию.

ГЛАВА 1. ФИЛОСОФСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ “ТЕОРИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ”

1. Изначальные основные понятия.

1.1.1. Причины необходимости управления.

Управление в самом общем смысле можно определить как руководство поведением [2]. Отсюда видна необъятная широта проблем, связанных с этим понятием, поэтому ограничим тему обсуждения, обратив внимание на то, в связи с чем это понятие здесь фигурирует: необходимость располагать научной базой, опираясь на которую можно было бы создавать системы управления (СУ) (см. название главы).

Руководство поведением – есть разновидность творческой деятельности. На рис.1 изображена структура мотивов творческой деятельности человека (символ (В) означает взаимодействие; Провидение – совокупность событий, реализующих замысел Создателя), побудительным из которых является возникшая жизненная потребность (Пт), ощущаемая им как чувство некомфортности, рождающее, в свою очередь, желание (причем не всегда доступное выражению) – стремление устранить это чувство. Выразимое желание очень важно в техническом аспекте в силу своей конструктивности – ведь это представление человеком способа (выраженного на языке известных ему явлений), который по его мнению устранит чувство некомфортности; только на его основе можно формировать систему, выполняющую желание, которая и есть система управления. Из рис.1 становятся ясными причина и степень необходимости создания СУ, а также

основной парадокс управления: задача управления - удовлетворение желания, в то время как побудительным мотивом управления является потребность, вызвавшая чувство некомфортности. 

1.1.2. Взгляд на процесс управления с позиций его инициатора

Создание СУ некоторым заинтересовавшим субъекта (занимающегося созданием СУ) явлением начинается

1.С уяснения результата, которого субъект хотел бы достигнуть (вследствие изменения (доступными ему средствами) характера протекания этого явления) для осуществления его желания. В данной ситуации воздействие на явление с помощью доступных субъекту средств - есть управление явлением; желаемый результат - цель управления; явление, характер протекания которого изменяет субъект - объект управления; субъект,

рассматриваемый только в связи с его деятельностью, направленной на достижение цели управления, - потребитель (Пл).

Вопросы, непосредственно относящиеся ко всей длинной административно-производственной цепочке, связанной с созданием СУ, в данной работе исключаются из области непосредственного внимания, поэтому все это объединено здесь в термине потребитель (поскольку движущей причиной этой цепочки является желание именно потребителя), обозначающем субъекта – носителя желания, наделенного всеми требуемыми возможностями и полномочиями, необходимыми для реализации его желания. Т.е., это и заказчик, и проектировщик, и изготовитель, и финансист, и потребитель в обычном понимании, и т.п. в одном лице.

В свете введенных понятий можно сказать, что поведением руководят, чтобы добиться выполнения цели, и, таким образом, управление - есть целенаправленное изменение - совокупность действий, направленная к достижению цели. Следовательно, здесь под управлением понимается его частный вид, соответствующий направленному руководству.

2.Затем выделяются конкретные характеристики объекта управления, вызвавшие интерес (обычно, в связи с целями управления) потребителя. Эти характеристики - выходные координаты объекта o₁,...,o_r+q; -вектор размера(r+q)-вектор выхода (output - выход). Изменение выходных координат объекта любой природы во времени o(t), по аналогии со случаем механических выходных координат, называют движением объекта.

3.Далее выявляются доступные и не доступные влиянию потребителя такие характеристики объекта, изменение которых приводит к изменению выходных координат. Эти характеристики – воздействия на объект (поскольку, согласно определению выходной координаты, объект интересен потребителю только с точки зрения вектора выхода). Доступные - называются управляющие воздействия u₁,...,u_m; u - вектор управления, не доступные - возмущающие воздействия (помехи) v₁,...,v_l; v - вектор возмущения (помех). Управляющие и возмущающие воздействия называют входными (в силу их первопричинности) воздействиями - вектор входа (input - вход). Величину управляющим и возмущающим воздействиям задает обычно процесс, внешний по отношению к объекту, поэтому они называются еще внешними воздействиями.

Потребитель и объект, являясь неотъемлемыми частями природы, выделяются из нее только в связи с задачей управления - соответственно, как генератор целей управления и как предмет приложения усилий для достижения целей. Поэтому фактически первый и второй от природы не отделяются и находятся под непрерывным влиянием остальной ее части (в силу взаимосвязанности всех процессов, протекающих в природе), называемой средой. Влияние среды и потребителя на объект и проявляется в форме изменяющихся внешних воздействий i(t).

Величины выходных координат в любой момент времени зависят не только от внешних входных воздействий, а и от тех значений выходных координат и их некоторых производных, которые они имели в момент приложения входов (в момент начала управления) t=

(от [o^(k)(t)]_{(t= )}=o^(k)( ), k=0:(n-1)),

называемых начальными условиями (Н.У.). Таким образом, выход в любой момент времени t - есть некоторая функция и от входа, и от НУ:

.

Из этого соотношения видно, что начальные условия, оказывая влияние на выход, подпадают под определение понятия воздействия, однако воздействие это в отличие от первых двух задается в конечном счете самим объектом (правда его наличие – есть следствие прошлого влияния среды, однако, потребителю достаточно информации о конечном результате (к моменту начала эксплуатации объекта) этого влияния на объект) и является поэтому внутренним (собственным) воздействием. В связи с чем движение под влиянием только Н.У. называется собственным движением. (Движение под влиянием только внешних воздействий (вынуждающих объект занимать положения, им соответствующие) называется вынужденным движением). Собственные воздействия тоже могут содержать доступную и не доступную влиянию потребителя составляющие, хотя обычно считают, что только не доступную.

1.1.3. Автоматическая СУ.

Потребитель осуществляет управление путем формирования в каждый момент времени (на основе априорной и текущей информации об объекте и среде) управляющего воздействия u(t), такого u(t)=u_ц(t), которое позволяет добиться выполнения цели управления. Техническая задача реализации управляющего воздействия возлагается потребителем частично или полностью на специальное устройство, которое называется регулятор.

Объект во взаимодействии с регулятором образуют систему управления, которая является системой автоматического управления (САУ), если она решает задачу управления без непосредственного участия человека.

Для расчета регулятора (этап создания СУ) потребителю необходимо располагать не столько текущей информацией об объекте, системе в целом и воздействиях (как это совершенно необходимо во время непосредственного управления (этап эксплуатации СУ)), сколько предполагаемой информацией о них в будущем процессе работы системы. Для этого составляется математическое описание объекта (системы) и среды, называемое математической моделью, соответственно, объекта (системы), воздействий (и иногда потребителя), или просто математической моделью {Физика, Теоретическая механика, Электроника и другие специальные дисциплины, которые обслуживают область деятельности, где осуществляется управление. Теория дифференциальных уравнений; Интегральные преобразования; Линейная алгебра; Функциональный анализ; Вариационное исчисление и другие общие и специальные разделы математики}. (В фигурных скобках здесь (и в дальнейшем) отмечаются области знания, необходимые для овладения проблемой, указанной перед этими скобками).

Математическая модель должна быть адекватной, т.е., верно отражать суть функционирования описываемого ею компонента СУ или среды. Но явление неисчерпаемо в силу многогранности его проявления, поэтому простой и компактной модели, полностью адекватной явлению, не существует (разве что само явление). К счастью, нас интересует не явление как таковое, а явление лишь в связи с управлением им. Это и используется для поиска компромисса между простотой модели (что желательно с инженерных позиций) и ее полнотой. Адекватной можно считать ту модель, на основе которой удалось добиться цели управления с требуемой точностью.

Таким образом, в процессе создания и эксплуатации СУ (САУ) информационно взаимодействуют четыре основные компонента этого процесса: цель управления, объект управления с создаваемым регулятором (т.е. СУ), среда и математическая модель.

Выходные координаты в силу определения связаны с потреблением объекта, поэтому, желательно отражать их реальными, доступными контролю потребителя процессами, что обычно и удается обеспечить с помощью устройств, называемых измерителями (совокупность всех измерителей - измеритель), правда, иногда процессы на выходе измерителя (называемые измерениями) в силу специфики работы последнего представляют не сам вектор выхода, а некоторую функцию от него и от возмущений (в силу влияния среды на работу измерителя) (v_и(t)):

h(o(t),v_и(t),t). (1)

Пусть измерения представляют непосредственно координаты выхода, причем часть из них o₁(t) y₁(t),...,o_r(t) y_r(t); y_(rx1)(t)=(y₁(t)...y_r(t))^T используется в регуляторе (например, из-за того, что имеет физическую природу, удобную для этой цели), а часть o_r+1(t) z₁(t),...,o_r+q(t) z_q(t); z_(qx1)(t)=(z₁(t)...z_q(t))^T используется как-то по-другому (например, для оценки качества управления). Некоторые компоненты выхода могут принимать участие и в векторе y(t) и в z(t).

1.1.4. Состояние.

Понятие выхода объекта возникло в связи с использованием (потреблением) объекта, а в связи с его описанием введено понятие состояние объекта, -как минимальный набор величин , однозначно представляющий (описывающий) объект в данный момент времени t=t₀ и позволяющий при известном на t [t_0., t_k] входе i(t) получить как такой же набор x(t) для любого t [t_0., t_k], так и выход o(t).

Отсюда видно, что выход - техническое понятие, а состояние - математическое, поэтому состояние в форме доступного потребителю уже имеющегося в объекте сигнала часто не существует. Принципиальная возможность получить такой сигнал с помощью специального блока, называемого наблюдающее устройство (наблюдатель, эстиматор), имеет место, если объект обладает свойством, получившим название наблюдаемость. Наблюдающее устройство представляет собой вычислитель (при построении которого используется известная информация об объекте), обрабатывающий доступные потребителю сигналы (выхода (сигнал измерения) и управления). Правда, в силу того, что либо начальные условия наблюдателя не известны точно, либо из-за того, что измеренные сигналы есть неразделимая смесь измеряемого сигнала с неизвестной помехой (см.(1)), сигнал на выходе эстиматора представляет состояние не совсем точно (соответственно, либо в начале свой работы, либо всегда), отчего этот сигнал называют оценкой состояния.

Цель управления (вследствие ее произвольности) принципиально может быть достигнута, если управляющих координат достаточно, чтобы привести объект к любому требуемому его состоянию - если объект обладает свойством, называемым управляемость. Состояние, как математическое понятие, введенное специально для полного описания объекта, является поэтому понятием более строгим и адекватным этой задаче, чем потребительское инженерное понятие выход. В связи с чем о принципиальной достижимости цели управления свидетельствует возможность получения с помощью управления любого именно состояния.

Характеристика, отражающая степень фактического использования этой потенциальной возможности для достижения заданной цели (степень достижения цели) каждым конкретным управлением, называется показателем (критерием) эффективности управления J^э. Обосновывают выбор критериев (их, как правило, несколько), - удачность оценки с их помощью степени достижения цели, совместно со специалистами по управляемому процессу. Иногда для оценки степени достижения цели используют противоположный J^э показатель, характеризующий степень удаления от цели - функцию штрафа (потерь) J.

Характеристики

Список файлов книги