[17.02.11] Лекция №2 (Конспекты - Управление сложными системами)

Лекция №2 [17.02.11]

Система – совокупность элементов или устройств, находящихся во взаимоотношениях и связях между собой и образующих некоторое единство или целостность.

Цели управления процессом или объектом – конечный технический или экономический результат, который может быть достигнут системой управления за определённое время.

Объект управления – производственный, технологический, технический объект (элемент), нуждающийся в специально организованном воздействии.

Объектами с точки зрения системы управления могут выступать: станок, производственный процесс, цех, завод, отрасль в целом, в зависимости от решаемой задачи

Элемент системы – простейшая неделимая часть. Что является элементом системы – определяется целями исследований.

Автоматические системы изображаются, как правило, в виде структурных схем, которые отображают последовательность процессов внутри системы. Структурная схема состоит из звеньев – элементов АС, в которых определённым образом входной параметр (сигнал) преобразуется в выходной.

Детальный вариант обобщённой схемы АС:

Алгоритм – измерение фактического значения управляемого сигнала, сравнение с заданным значением, выработка ошибки, компенсация ошибки.

В общем случае g(t) – произвольный сигнал. Если g(t) – константа, то целью управления является поддержание заданного значения регулируемой величины g0, и такие системы называются системами стабилизации.

Если g(t) заранее задано во времени, то есть, известен, то g(t) называется программой управления, сама система – системой программного управления, цель управления: y(t) должен следовать за g(t).

Если g(t) заранее неизвестная функция времени, то говорят о следящей системе.

Одномерная система – один вход и дин выход.

Несколько входов/выходов – многомерная.

Классификация АС по различным признакам:

- по видам дифференциальных уравнений, описывающих динамику системы

а) линейные системы

* системы с постоянными параметрами – стационарные (ДифУр с постоянными коэф.);

* системы с переменными параметрами – нестационарные (ДифУр с переменными кф);

* системы с распределёнными параметрами (уравнения в частных производных);

* системы с запаздыванием (уравнения с запаздывающим аргументом);

б) нелинейные

* системы с постоянными параметрами – стационарные (ДифУр с постоянными коэф.);

* системы с переменными параметрами – нестационарные (ДифУр с переменными кф);

* системы с распределёнными параметрами (уравнения в частных производных);

* системы с запаздыванием (уравнения с запаздывающим аргументом);

- по характеру передачи сигналов

а) непрерывные системы;

б) дискретные системы (импульсные и цифровые);

в) релейные системы ;

- по характеру процессов управления

а) детерминированные системы (определённые параметры и процессы);

б) стохастические системы (случайные параметры и сигналы);

- по характеру функционирования

а) обычные системы;

б) адаптивные

* самонастраивающиеся;

* саморегулирующиеся (самоорганизующиеся);

* экстремальные системы (обеспечение конечных параметров);

в) интеллектуальные;

- по типам алгоритмов управления

а) П-закон (пропорциональный) – регулирующее воздействие на объект прямо пропорционально имеющейся в системе ошибке;

б) И-закон (интегральный) – уровень воздействия на объект определяется интегралом от ошибки. Самостоятельно не применяется, из-за медленного нарастания регулирующего воздействия на объект. Характерная особенность – работает до тех пор, пока ошибка не станет равна нулю;

в) Д-закон – регулирующее воздействие пропорционально производной от ошибки. Данный закон обладает свойством предварения или предвидения. Самостоятельно не применяется, потому что реагирует только на скорость изменения ошибки, и не реагирует на саму ошибку, какой бы большой она не была;

г) комбинации первых трёх законов;

д) нелинейные законы. Более разнообразные по применению с точки зрения теории управления, но более сложны при реализации

- по энергетическому признаку. Не смотря на то, что входы и выходы являются информационными сигналами, при проектировании необходимо учитывать и энергетические затраты при реализации разработанных гениальных алгоритмов управления

а) система прямого регулирования – энергия для управления "отбирается" у самого управляемого процесса. Например, поплавковый регулятор уровня:

Поплавок выполняет сразу три операции: измерение, принятие решения об управляющем воздействии и исполнение решения. Достоинство: простота, дешевизна. Недостаток: крайне низкая точность. Для получения точности необходимо разделить три функции поплавка.

б) регулятор непрямого действия – энергия для работы подводится извне. Достоинство: высокая точность. Недостаток: высокая цена, больше сложность, меньше надёжность, необходимость дополнительного источника энергии.

Интеллектуальные системы – 1935 год, академик Анохин (нейрофизиолог). Схема:

Отличительная черта любого, даже самого маленького результата, способствующего достижению цели – то, что он непременно получается на основе принципа саморегуляции и, независимо от сложности, обладает одними и теми же узловыми механизмами: афферентный синтез цели, принятие решения к действию, эфферентная программа действий, акцептор действия (предсказывающий результаты, делающий прогноз), обратная аффереитация о результатах действия;

Афферентный синтез является исходным для построения любой целенаправленной деятельности. Четыре ведущих его компонента: исходная доминирующая мотивация, память, обстановочная и пусковая аффереитация. Четыре эти компонента позволяют представить механизм афферентного синтеза следующим образом: на основе исходной доминирующей мотивации, возникающей на основе той или иной внутренней потребности механизма и памяти, организм, стимулируемый различными пусковыми сигналами, активно оценивает внешние раздражители (внешняя среда) и принимает решении к действию. Результаты действия сравниваются с прогнозируемыми в акцепторе действия.

Современные интеллектуальные системы управления

Интеллектуальные системы управления (ИСУ) – объединённая информационным процессом совокупность технических средств и программного обеспечения, работающую во взаимосвязи с человеком или автономно, способную на основании сведений и знаний, при наличии мотивации, синтезировать цель, вырабатывать решение о действии и находить рациональные способы достижения цели. Например, шум в соседней аудитории: мотивация - конец пары.

Современная ИСУ:

Задачи теории управления

1) анализ

2) синтез

Анализ – выявления и количественная оценка свойств поведения, а также объяснение свойств системы в целом через характеристики элементов.

Важнейшими свойствами объектов и систем управления являются: устойчивость, инвариантность к возмущениям, робастность (грубость, малая чувствительность).

Синтез – вид технического проектирования. Состоит из:

- определения конфигурации системы;

- определение требований, которым должна удовлетворять система;

- определение параметров системы, с помощью которых можно обеспечить предъявляемые требования;

Идеология синтеза:

1) определение цели управления;

2) выбор переменных, подлежащих управлению;

3) формулировка требований к этим переменным;

4) выбор конфигурации системы, выбор исполнительного механизма;

5) получение математических моделей объекта, исполнительного устройства, датчика, усилительно-преобразовательного устройства и чего-нибудь ещё;

6) формирование регулятора (закона), определение параметров настройки;

7) оптимизация параметров, определение качества системы;

Виды типовых воздействий:

1) ступенчатое воздействие - как наиболее тяжёлый режим работы (пуск двигателя);

2) импульс – бесконечно большое воздействие за бесконечно малый промежуток времени;

3) временные ряды – для следящих систем;