Основные понятия систем управления и автоматизации. Постановка задачи управления и регулирования

Определение и общие характеристики системы. При определения некоторого объекта как системы предпологается наличие: 1) объекта (системы), состоящего из множества элементов и их свойств, которые рассматриваются как единое целое благодаря связям между ними и их свойствами; 2) исследователя, выполняющего любую целенаправленную деятельность (исследовательскую, проектную, организационную и др.); 3) задачи, с точки зрения решения которой исследователь определяет некоторый объект как систему; 4) языка, на котором исследователь может описать объект, свойства его элементов и связи.

Элементы – это части или компоненты системы, условно принятые неделимыми.

Свойства – качества позволяющие, описать систему и выделять ее среди других систем. Свойства характеризуют совокупность параметров, одни из которых могут иметь количественную меру, другие выражаются лишь качественно.

Связи – это то, что соединяет элементы и свойства.

Целостность системы проявляется в том, что ее свойства могут качественно отличаться от свойств составляющих элементов.

Таким образом, система – это не сумма составляющих ее частей, а целостное образование с новыми свойствами, которыми не обладают ее элементы.

Понятие «Система» ограниччивает множество элементов. Предполагается, что за пределами системы существует множество элементов, за пределами системы, с которыми она взаимодействует, что называется внешней средой.

Существует понятие иерархии систем. Каждая система может рассматриваться либо как подсистема или элемент некоторой, более крупной системы, либо как совокупность элементов, допустимо определить как систему.

Моделью системы называют отображение определенных характеристик объекта с целью его изучения. Модель позволяет выделить из всего многообразия проявлений изучаемого объекта лишь те, которые необходимы с точки зрения решаемой проблемы, т.е. модель ‑ не точная копия объекта, а отражение определенной части его свойств. Поэтому центральной проблемой моделирования является разумное упрощение модели, т.е. выбор степени подобия модели и объекта.

*****

Любой целенаправленный процесс, происходящий в машине, живом организме или выполняемый человеком, представляет собой организованную совокупность операций, которые условно можно разделить на две группы: рабочие операции и операции управления.

Рабочие операции – это действия, необходимые непосредственно для выполнения процесса в соответствии с природой и законами, определяющими ход течения процесса.

Для достижения цели процесса рабочие операции должны организовываться и направляться действиями другого рода – операциями управления. Совокупность операций управления образуют процесс управления. В структурном аспекте любую систему управления можно представить взаимосвязанной совокупностью объекта управления и управляющего органа

Обобщенная структура системы управления

Объект управления представляет собой открытую систему, значит находится в динамическом взаимодействии с внешней средой. Влияние внешней среды на объект управления, как правило, носит неконтролируемый характер и выражается в случайном изменении его состояния. Воздействие окружающей среды на объект управления называется возмущающим воздействием.

Задачу управления можно сформулировать следующим образом: найти такие вектор управления и вектор состояния, которые обеспечат достижение цели управления, согласно какого-то критерия управления.

На практике достижение точного значения цели управления обеспечить трудно, а часто не требуется. Достаточно, чтобы модуль разности между достигнутым значением показателя цели управления J ^k и значением J не превышало некоторое значение заданной величины d, т.е.

В некоторых случаях задачу управления можно сформулировать следующим образом: найти и реализовать функциональную зависимость (алгоритм управления)

обеспечивающих наилучшее приближение к заданному значению критерия управления.

Задача упрощается, если цель управления задается как вектор желаемого состояния х *(t), т.е. план и программа управления известны и могут быть сообщены системе заранее. Критерий управления формулируется следующим образом

(1)

Это частный случай задачи называется задачей регулирования. Строго задача регулирования формулируется следующим образом: полагая заданным х *(t), найти закон регулирования

который обеспечивает экстремум критерия (1)

Процесс управления условно можно разбить на совокупность следующих функций:

‑ планирование и определение программы управления;

‑ контроль;

‑ формирование управляющих воздействий или принятия решения;

‑ реализаци управляющего воздействия или решения.

Определение программы управления (планирования) заключается в выработке траектории решения системы х *(t) в пространстве параметров его состояния.

Контроль состоит в измерении значений компонентов вектора состояния х (t) и определении вектора ошибки e (t).

Формирование управляющего воздействия (принятия решения) заключается в определении значений управляемых переменных, приводящих объект управления в желаемое состояние.

Реализация управляющих воздействий ‑ это непосредственно физическое воздействие на объект управления.

Функциональная схема системы управления

Схема системы регулирования