Фундаментальные принципы управления. Фундаментальные принципы управления Питера Ф. Друкера. Основные принципы менеджмента

Какие основные классические принципы патримониальной бюрократии можно выделить в организации управления древнего Китая? В целом к рациональным элементам патримониальной бюрократии можно отнести следующие основные принципы сложившейся системы функционирования

Глава 11. Основные принципы организационного инжиниринга Прежде чем перейти к описанию особенностей формирования организационных структур, остановимся сначала на тех принципах организационного инжиниринга, которые Уинстон Черчилль использовал в своей практике.К ним

Видеть основные принципы Чтобы понять, не зародилась ли в недрах вашей отрасли мощная волна перемен, нужно проникнуть в самую суть ситуации, проанализировать ее до мельчайших подробностей. Вам следует накопить достаточно знаний и опыта, если хотите научиться как можно

Лекция 1. Принципы управления. 2

1.1. Общие понятия. 2

Лекция 2. Статический режим САУ.. 7

2.1. Основные виды САУ.. 7

Лекция 3. Динамический режим САУ.. 12

3.1. Динамический режим САУ. Уравнение динамики. 12

3.3. Передаточная функция. 15

3.4. Элементарные динамические звенья. 16

Лекция 4. Структурные схемы САУ.. 17

4.1. Эквивалентные преобразования структурных схем. 17

4.2. САР напряжения генератора постоянного тока. 22

Лекция 5. Временные характеристики. 24

5.1. Понятие временных характеристик. 24

5.2. Переходные характеристики элементарных звеньев. 26

5.2.1. Безынерционное (пропорциональное, усилительное) звено. 26

5.2.2. Интегрирующее (астатическое) звено. 26

5.2.3. Инерционное звено первого порядка (апериодическое) 27

5.2.4. Инерционные звенья второго порядка. 28

5.2.5. Дифференцирующее звено. 28

Лекция 6. Частотные характеристики. 29

6.2. Частотные характеристики типовых звеньев. 32

6.2.1. Безынерционное звено. 32

6.2.2. Интегрирующее звено. 33

6.2.3. Апериодическое звено. 33

6.2.4. Инерционные звенья второго порядка. 34

6.2.5. Правила построения ЧХ элементарных звеньев. 35

Лекция 7. ЧХ разомкнутых САУ.. 36

7.1. Частотные характеристики разомкнутых одноконтурных САУ.. 36

7.2. Законы регулирования. 39

Лекция 8. Алгебраические критерии устойчивости. 40

8.1. Понятие устойчивости системы.. 40

8.2. Алгебраические критерии устойчивости. 43

8.2.1. Необходимое условие устойчивости. 43

8.2.1. Критерий Рауса. 44

8.2.2. Критерий Гурвица. 44

Лекция 9. Частотные критерии устойчивости. 46

9.1. Принцип аргумента. 46

9.2. Критерий устойчивости Михайлова. 47

9.3. Критерий устойчивости Найквиста. 48

Лекция 10. D-разбиение. Запас устойчивости. 50

10.1. Понятие структурной устойчивости. АФЧХ астатических САУ.. 50

10.2. Понятие запаса устойчивости. 52

10.3. Анализ устойчивости по ЛЧХ.. 53

Лекция 11. Качество САУ.. 54

11.1. Теоретическое обоснование метода D-разбиений. 54

11.2. D-разбиение по одному параметру. 56

11.3. Прямые методы оценки качества управления. 56

11.3.1. Оценка переходного процесса при ступенчатом воздействии. 57

11.3.2. Оценка качества управления при периодических возмущениях. 58

Лекция 12. Корневой и интегральный методы оценки качества САУ.. 59

12.1. Корневой метод оценки качества управления. 59

Лекция 13. Частотные методы оценки качества. 64

13.1. Теоретическое обоснование. 64

13.2. Основные соотношения между ВЧХ и переходной характеристикой. 65

13.3. Метод трапеций. 67

Лекция 14. Синтез САУ.. 69

14.1. Синтез САУ.. 69

14.1.1. Включение корректирующих устройств. 70

14.1.2. Синтез корректирующих устройств. 72

14.2. Коррекция свойств САУ изменением параметров звеньев. 72

14.2.2. Изменение постоянной времени звена САУ.. 74

Лекция 1. Принципы управления

Общие понятия

Теория автоматического управления (ТАУ) появилась во второй половине 19 века сначала как теория регулирования. Широкое применение паровых машин вызвало потребность в регуляторах, то есть в специальных устройствах, поддерживающих устойчивый режим работы паровой машины. Это дало начало научным исследованиям в области управления техническими объектами. Оказалось, что результаты и выводы данной теории могут быть применимы к управлению объектами различной природы с различными принципами действия. В настоящее время сфера ее влияния расширилась на анализ динамики таких систем, как экономические, социальные и т.п. Поэтому прежнее название “Теория автоматического регулирования” заменено на более широкое - “Теория автоматического управления”.

Управление каким-либо объектом (объект управления будем обозначать ОУ) есть воздействие на него в целях достижения требуемых состояний или процессов. В качестве ОУ может служить самолет, станок, электродвигатель и т.п. Управление объектом с помощью технических средств без участия человека называется автоматическим управлением . Совокупность ОУ и средств автоматического управления называется системой автоматического управления (САУ) .

Основной задачей автоматического управления является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин, характеризующих процессы, протекающие в ОУ, без непосредственного участия человека. Эти величины называются управляемыми величинами . Если в качестве ОУ рассматривается хлебопекарная печь, то управляемой величиной будет температура, которая должна изменяться по заданной программе в соответствии с требованиями технологического процесса.

Фундаментальные принципы управления

Принято различать три фундаментальных принципа управления: принцип разомкнутого управления, принцип компенсации, принцип обратной связи .

Принято различать три фундаментальных принципа управле­ния: принцип разомкнутого управления, принцип компенсации, принцип обратной связи.

Одномерными называются системы с одной регулируемой величиной.

Многомерными называются системы с несколькими ре­гулируемыми величинами и они используются для управления многомерными объектами регулирования, нормальное функцио­нирование которых требует изменения по заданному закону не менее двух физических величин.

Принцип разомкнутого управления. Рассмотрим САУ хле­бопекарной печи (рис.2.1). Ее принципиальная схема показывает принцип действия данной конкретной САУ, состоящей из кон­кретных технических устройств. Принципиальные схемы могут быть электрическими, гидравлическими, кинематическими и т.п. Технология выпечки требует изменения температуры в печи по заданной временной программе, в частном случае требуется под­держание постоянной температуры.

U- напряжение электрической сети; НЭ- нагревательный элемент; ОУ-объект управления; УО- управляющий орган объекта (реостат); ЗУ- за­дающее устройство; УУ- устройство управления; ИП- измерительный при­бор; ЧЭ- чувствительный элемент; Т- температура в печи.

Рисунок 2.1- САУ хлебопекарной печи

Для этого надо реостатом регулировать напряжение на нагре­вательном элементе НЭ. Подобная часть ОУ, с помощью которой можно изменять параметры управляемого процесса, называется управляющим органом объекта (УО). Это может быть реостат, вентиль, заслонка и т.п.

Часть ОУ, которая преобразует управляемую величину в пропорциональную ей величину, удобную для использования в САУ, называют чувствительным элементом (ЧЭ). Физическую величину на выходе ЧЭ называют выходной величиной ОУ. Как правило, это электрический сигнал (ток, напряжение) или меха­ническое перемещение. В качестве ЧЭ могут использоваться тер­мопары, тахометры, рычаги, электрические мосты, датчики дав­ления, деформации, положения и т.п. В нашем случае это термо­пара, на выходе которой формируется напряжение, пропорцио­нальное температуре в печи, подаваемое на измерительный при­бор ИП для контроля. Физическую величину на входе управляю­щего органа ОУ называют входной величиной ОУ.

Управляющее воздействие u(t) - это воздействие, приклады­ваемое к УО объекта с целью поддержания требуемых значений управляемой величины. Оно формируется устройством управле­ния (УУ). Ядром УУ является исполнительный элемент, в качест­ве которого могут использоваться электрические двигатели, мем­браны, электромагниты и т.п.

Задающим устройством (ЗУ) называется устройство, задаю­щее программу изменения управляющего воздействия, то есть формирующее задающий сигнал u 0 (t). В простейшем случае u 0 (t) = U - постоянная величина. ЗУ может быть выполнено в ви­де отдельного устройства, быть встроенным в УУ или же вообще отсутствовать. В качестве ЗУ может выступать кулачковый меха­низм, магнитофонная лента, маятник в часах, задающий профиль и т.п. Роль УУ и ЗУ может исполнять человек. Однако это уже не САУ. В нашем примере УУ является кулачковый механизм, пе­ремещающий движок реостата согласно программе, которая зада­ется профилем кулачка.

Рассмотренную САУ можно представить в виде функцио­нальной схемы, элементы которой называются функциональными звеньями. Эти звенья изображаются прямоугольниками, в которых записывается функция преобразования входной величины в выходную (рис.2.2). Эти величины могут иметь одинаковую или различную природу, например, входное и выходное электриче­ское напряжение, или электрическое напряжение на входе и ско­рость механического перемещения на выходе и т.п.

Рисунок 2.2 - Функция преобразования входной величины u в выходную y

Величина f, подаваемая на второй вход звена, называется возмущением. Она отражает влияние на выходную величину у изменений окружающей среды, нагрузки и т.п

В общем случае функциональное звено может иметь несколь­ко входов и выходов (рис.2.3). Здесь u 1 , u 2 ,..., u n - входные (управляющие) воздействия; f 1 , f 2 ,..., f k - возмущающие воздейст­вия; у 1, у 2 ,..., у m - выходные величины.

Принцип работы функциональных звеньев может быть раз­личным, поэтому функциональная схема не дает представление о принципе действия конкретной САУ, а показывает лишь пути прохождения и способы обработки и преобразования сигналов.

Сигнал - это информационное понятие, соответствующее на принципиальной схеме физическим величинам. Пути его прохо­ждения указываются направленными отрезками (рис.2.4). Точки разветвления сигнала называются узлами. Сигнал определяется лишь формой изменения физической величины, он не имеет ни массы, ни энергии, поэтому в узлах он не делится (рис. 2.4а), и по всем путям от узла идут одинаковые сигналы, равные сигналу, входящему в узел. Суммирование сигналов осуществляется в сумматоре (рис. 2.46), вычитание - в сравнивающем устройстве, рис 2.4в.

Рисунок 2.3 - Функциональное звено с несколькими входами и выходами

Рисунок 2.4 - Прохождение сигнала по узлам САУ: а - ветвление; б - суммирование; в - вычитание.

САУ хлебопекарной печи можно изобразить функциональной схемой (рис.2.5). В данной схеме заложен принцип разомкнутого управления, сущность которого состоит в том, что программа управления во времени t жестко задана ЗУ; управление не учиты­вает влияние возмущений на параметры процесса.

Рисунок 2.5 - Функциональная схема САУ хлебопекарной печи.

Примерами систем, работающих по принципу разомкнутого управления, являются часы, магнитофон компьютер и т.п.

Принцип компенсации. Если возмущающий фактор искажает выходную величину до недопустимых пределов, то применяют принцип компенсации (рис.2.6, КУ - корректирующее устройст­во). Пусть у 0 - значение выходной величины, которое требуется обеспечить согласно программе. На самом деле из-за возмущения f на выходе регистрируется значение у.

Величина

ε= у 0 - у

называется отклонением от заданной величины. Если каким-то образом удается измерить величину f то можно откорректиро­вать управляющее воздействие и на входе ОУ, суммируя сигнал УУ с корректирующим воздействием, пропорциональным воз­мущению f и компенсирующим его влияние. Примеры систем компенсации: биметаллический маятник в часах, компенсацион­ная обмотка машины постоянного тока и т.п.

На рис. 2.6 в цепи нагревательного элемента НЭ стоит термо­сопротивление R t , величина которого меняется в зависимости от колебаний температуры окружающей среды, корректируя напря­жение на НЭ.

Достоинство принципа компенсации: быстрота реакции на возмущения. Он более точен, чем принцип разомкнутого управ­ления. Недостаток - невозможность учета подобным образом всех возможных возмущений

Рисунок 2.6 - САУ с компенсацией возмущающего сигнала: а - функциональная схема; б - СА хлебопекарной печи.

Принцип обратной связи. Наибольшее распространение в технике получил принцип обратной связи (рис.2.7). Здесь управ­ляющее воздействие корректируется блоком КУ в зависимости от выходной величины у. И уже не важно, какие возмущения дейст­вуют на ОУ.

Если значение у отклоняется от требуемого, то происходит корректировка сигнала и с целью уменьшения данного отклоне­ния. Связь выхода ОУ с его входом называется главной обратной связью (ОС). В частном случае (рис.2.8) ЗУ формирует требуемое значение выходной величины у 0 , которое сравнивается с действи­тельным значением на выходе САУ у.

Отклонение

ε= у 0 – у

с выхода сравнивающего устройства подается на вход регулятора Р, объединяющего в себе УУ, УО, ЧЭ. Если ε≠0 , то регулятор формирует управляющее воздействие u, действующее до тех пор, пока не обеспечится равенство ε=0, или у = у 0 .

Рисунок 2.7 - САУ с обратной связью

Рисунок 2.8 - САУ с обратной связью по отклонению выходной величины от заданной

Так как на регулятор подается разность сигналов, то такая обратная связь называется отрицательной в отличие от положи­тельной обратной связи, когда сигналы складываются. Такое управление в функции отклонения называется регулированием, а подобную САУ называют системой автоматического регулирова­ния (САР). Так, на рис. 2.9 изображена упрощенная схема САР хлебопекарной печи.

Роль ЗУ здесь выполняет потенциометр, напряжение на кото­ром U 3 сравнивается с напряжением на термопаре U T . Их разность ∆U через усилитель У с подается на исполнительный двигатель ИД, регулирующий через редуктор положение движка реостата в цепи НЭ. Наличие усилителя говорит о том, что данная САР яв­ляется системой непрямого регулирования, так как энергия для функций управления берется от посторонних источников питания в отличие от систем прямого регулирования, в которых энергия берется непосредственно от ОУ, как, например, в САР уровня во­ды в баке (рис.2.10).

Рисунок 2.9 - Упрощенная схема САР хлебопекарной печи с регулятором.

Рисунок 2.10 - САР уровня воды в баке

Для поддержания постоянного уровня воды в баке Y исполь­зуется чувствительный элемент ЧЭ в виде поплавка, постоянно находящегося на ее поверхности. При увеличении расхода воды Q ее уровень У начинает понижаться. Поплавок ЧЭ перемещает­ся вниз и через тягу ЗУ (задающее устройство) и рычаг ОС (отри­цательная обратная связь) воздействует на управляющий орган УО (заслонка), который увеличивает подачу воды А в бак. Уве­личение подачи А приводит к поднятию уровня У воды в баке. В результате чего поплавок поднимается и закрывает заслонку УО. Подача воды уменьшается, и уровень воды стабилизируется во­круг заданного уровня, изменяемого длиной тяги ЗУ. Недостат­ком принципа обратной связи является инерционность системы.

Поэтому часто применяют комбинацию данного принципа с принципом компенсации, что позволяет объединить достоинства обоих принципов: быстроту реакции на возмущение принципа компенсации и точность регулирования независимо от природы возмущений принципа обратной связи.

2.2. Основные виды САУ

В зависимости от принципа и закона функционирования ЗУ, задающего программу изменения выходной величины, различают основные виды САУ:

Стабилизации;

Программные;

Следящие;

Самонастраивающиеся:

Экстремальные;

Оптимальные;

Адаптивные.

В системах стабилизации (рис.2.9,2.10) обеспечивается не­изменное значение управляемой величины при всех видах воз­мущений, т.е. у = const. ЗУ формирует эталонный сигнал, с кото­рым сравнивается выходная величина. ЗУ, как правило, допуска­ет настройку эталонного сигнала, что позволяет менять по жела­нию значение выходной величины.

В программных системах обеспечивается изменение управ­ляемой величины в соответствии с программой, формируемой ЗУ. В качестве ЗУ может использоваться кулачковый механизм, устройство считывания с перфоленты или магнитной ленты и т.п. К этому виду САУ можно отнести заводные игрушки, магнито­фоны, проигрыватели и т.п. Различают системы с временной про­граммой (например, рис.2.1), обеспечивающие y=f(t), и системы с пространственной программой, в которых у =f(x), применяемые там, где на выходе САУ важно получить требуемую траекторию в пространстве, например, в копировальном станке (рис.2.11), за­кон движения во времени здесь роли не играет, где t - время, х -координата точки.

Рисунок 2.11 - САУ с про­странственной программой

Следящие системы отличаются от программных лишь тем, что программа у =f(t) или y =f(x) заранее неизвестна. В качестве ЗУ выступает устройство, следящее за изменением какого-либо внешнего параметра. Эти изменения и будут определять измене­ния выходной величины САУ. Например, рука робота, повто­ряющая движения руки человека.

Все три рассмотренных вида САУ могут быть построены по любому из трех фундаментальных принципов управления. Для них характерно требование совпадения выходной величины с не­которым предписанным значением на входе САУ, которое само может меняться. То есть в любой момент времени требуемое зна­чение выходной величины определено однозначно.

В самонастраивающихся системах ЗУ ищет такое значение управляемой величины, которое по какому-то критерию (или не­скольким) является оптимальным.

Так, в экстремальных системах (рис.2.12) требуется, чтобы выходная величина всегда принимала минимальное или макси­мальное значение из всех возможных, которое заранее не опре­делено и может непредсказуемо изменяться. Для его поиска сис­тема выполняет небольшие пробные движения и анализирует ре­акцию выходной величины на эти пробы.

Рисунок 2.12 - Самонастраиваемая САУ.

После этого вырабатывается управляющее воздействие, при­ближающее выходную величину к экстремальному значению. Процесс повторяется непрерывно. Так как в данных САУ проис­ходит непрерывная оценка выходного параметра то они выпол­няются только в соответствии с третьим принципом управления - принципом обратной связи.

Оптимальные системы являются более сложным вариантом экстремальных систем. Здесь происходит, как правило, сложная обработка информации о характере изменения выходных величин и возмущений, о характере влияния управляющих воздействий на выходные величины, может быть задействована теоретическая информация, информация эвристического характера и т.п. Поэтому основным отличием экстремальных систем является нали­чие в них ЭВМ. Эти системы могут работать в соответствии с любым из трех фундаментальных принципов управления.

В адаптивных системах предусмотрена возможность автома­тической перенастройки параметров или изменения принципи­альной схемы САУ с целью приспособления ее к изменяющимся внешним условиям.

Лекция №3. «Режимы работы САУ»

Круг объектов и операций управления весьма широк. Он охватывает технологические процессы и агрегаты, группы агрегатов, цехи, предприятия, человеческие коллективы, организации и т.д.

Объекты управления и виды воздействия на них.

Объекты, в которых протекает управляемый процесс, будем называть объектами управления. Это разнообразные технические устройства и комплексы, технологические или производственные процессы. Состояние объекта можно характеризовать одной или несколькими физическими величинами, называемыми управляемыми или регулируемыми переменными. Для технического устройства, например, электрического генератора, регулируемой переменной, может быть напряжение на его выходных клеммах; для производственного участка или цеха - объём выпускаемой им промышленной продукции.

Как правило, к объекту управления приложено два вида воздействий: управляющие - r(t) и возмущающее f(t); состояние объекта характеризуется переменной x(t):

управления

Изменение регулируемой величины x(t) обусловливается как управляющим воздействием r(t), так и возмущающим, или помехой f(t). Дадим определение этим воздействиям.

Возмущающим называется такое воздействие, которое нарушает требуемую функциональную связь между регулируемыми или управляемыми переменными и управляющим воздействием. Если возмущение характеризует действие внешней среды на объект, то оно называется внешним. Если это воздействие возникает внутри объекта за счёт протекания нежелательных, но неизбежных процессов при его нормальном, функционирование, то такие возмущения называются внутренними.

Воздействия, прикладываемые к объекту управления с целью изменения прикладываемой величины в соответствии с требуемым законом, а также для компенсации влияния возмущений на характер изменения управляемой величины, называются управляющими.

Основная цель автоматического управления любым объектом или процессом состоим в том, чтобы непрерывно поддерживать с заданной точностью требуемую функциональную зависимость между управляемыми переменными, характеризующими состояние объекта и управляющими воздействиями в условиях взаимодействия объекта с внешней средой, т.е. при наличии как внутренних, так и внешних возмущающих воздействий. Математическое выражение этой функциональной зависимости называется алгоритмом управления.

Понятие об элементе системы

Любой объект управления сопряжён с одним или несколькими регуляторами, формирующими управляющие воздействия, подаваемые на регулирующий орган. Объект управления совместно с управляющим устройством, или регулятором, образуют систему управления или регулирования. При этом, если человек не участвует в процессе управления, то такая система называется системой автоматического управления.

Регулятор системы представляет собой комплекс устройств, соединённых между собой в определённой последовательности и осуществляющих реализацию простейших операций над сигналами. В связи с этим оказывается возможным произвести декомпозицию (расчленение) регулятора на отдельные функциональные элементы - простейшие конструктивно-целостные ячейки, выполняющие одну определённую операцию с сигналом.

К таким операциям следует отнести:

1) преобразование контролируемой величины в сигнал;

2) преобразование: а) сигнал одного рода энергии в сигнал другого рода энергии; б) непрерывного сигнала в дискретный и обратно; в) сигнала по величине энергии; г) виды функциональной связи между выходными и входными сигналами;

3) хранение сигналов;

4) формирование программных сигналов;

5) сравнение контрольных и программных сигналов и формирование сигнала рассогласования;

6) выполнение логических операций;

7) распределение сигнала по различным каналам передачи;

8) использование сигналов для воздействия на объект управления.

Перечисленные операции с сигналами, выполняемые элементами систем автоматического управления, используются в дальнейшем как основа систематизации всего многообразия элементов автоматики, применяемого в различных по характеру, назначению и принципу действия системах, т.е. порождённого многообразием автоматических систем управления и контроля.

Чтобы осуществлять автоматическое управление или строить систему управления, нужны знания двоякого вида: во-первых, конкретные знания данного процесса, его технологии и, во-вторых, знания принципов и методов управления, общих для самых разнообразных объектов и процессов. Конкретные специальные знания дают возможность установить, что и, главное, как следует изменять в системе, чтобы получить требуемый результат.

При автоматизации управления техническими процессами возникает необходимость в различных группах операций управления. К одной из таких групп относится операция начала (включения), прекращения (отключения) данной операции и перехода от одной операции к другой (переключения).

Для правильного и качественного ведения процесса некоторые из его координат - управляемые - должны поддерживаться в определённых границах или изменяться по определённому закону.

Другая группа операций управления связана с контролем за координатами с целью установления допустимых границ. Эта группа операций состоит в измерении значений координат и представления результатов измерения в удобной для человека-оператора форме.

Третья группа операций управления - операции по поддержанию заданного закона изменения координат - изучается в теории автоматического управления.

Всякий объект, обладающий массой, является динамическим, поскольку под действием внешних сил и моментов (конечной величины) со стороны объекта возникает соответствующая реакция его положения (или состояния) не может быть изменено мгновенно. Переменные x, u и f (где x - совокупность управляемых координат процесса, u - воздействия или управления, прикладываемые к объекту, и f - возмущения действующие на вход объекта) в динамических объектах обычно связаны между собой дифференциальными, интегральными или разностными уравнениями, содержащими в качестве независимой переменной время t .

Изменения координат в нормальном, желаемом процессе определяется совокупностью правил, предписаний или математических зависимостей, называемых алгоритмом функционирования системы. Алгоритм функционирования показывает, как должна изменяться величина x(t) по требованиям технологии, экономики или по другим соображениям. В теории автоматического управления алгоритмы функционирования считаются заданными.

Динамические свойства и форма статических характеристик вносят искажения: действительный процесс будет отличаться от желаемого (который, например, при тех же воздействиях имел бы место в безынерционном линейном объекте). Поэтому требуемый закон изменения управления u , или алгоритм управления, не будет подобным алгоритму функционирования; он будет зависит от алгоритма функционирования, динамических свойств и характеристик объекта. Алгоритм управления показывает, как должно изменяться управление u, чтобы обеспечить заданный алгоритм функционирования. Алгоритм функционирования в автоматической системе реализуется с помощью управляющих устройств.

В основе используемых в техники алгоритмов управления лежат некоторые общие фундаментальные принципы управления, определяющие, как осуществляется увязка алгоритма управления с заданным и фактическим функционированием, или с причинами, вызвавшие отклонения. Используется три фундаментальных принципа: разомкнутого управления, обратной связи и компенсации.

Принцип разомкнутого управления

Сущность принципа состоит в том, что алгоритм управления строится только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируется по фактическому значению управляемой величины.

Принцип управления по отклонению

(принцип обратной связи).

Этот принцип является одним из наиболее ранних и широко распространённых принципов управления. В соответствии с ним воздействие на регулирующий орган объекта вырабатывается как функция отклонения регулируемой величины от предписанного значения.

Обратную связь можно обнаружить во многих процессах в природе. Примерами могут служить вестибулярный аппарат, обнаруживающий отклонения тела от вертикали и обеспечивающий поддержание равновесия, системы регуляции температуры тела, ритма дыхания и т.п. В общественных учреждениях обратная связь при управлении устанавливается посредством осуществления контроля исполнения. Принцип обратной связи является весьма универсальным фундаментальным принципом управления, действующим в технике, природе и обществе.

Принцип регулирования по возмущению (принцип компенсации).

Так как отклонение регулируемой величины зависит не только от управления, но и возмущающего воздействия, то в принципе можно сформулировать закон управления так, чтобы в установившемся режиме отклонение отсутствовало.

Принцип регулирования паровой машины по моменту сопротивления на её валу был предложен в 1930 г. французским инженером И.Понселе, однако реализовать это предложение на практике не удалось, поскольку динамические свойства паровой машины (наличие астатизма) не допускали непосредственного использования принципа компенсации. Но в ряде других технических устройств принцип компенсации использовался давно. Примечательно, что его использование в статике не вызывало сомнений, попытка же Г.В.Щипанова в 1940 г. Предложить принцип инвариантности по возмущению для ликвидации отклонений в динамике вызывала резкую дискуссию и обвинения в нереализуемости предложения. В.С.Кулебакин в 1948г. и Б.Н.Петров в 1955 г. показали, как следует строить системы, чтобы можно было реализовать в них принцип инвариантности. В 1966 г. предложенный Г.В.Щипановым принцип инвариантности был зарегистрирован как открытие с приоритетом - апрель 1939 г. Тем самым была исправлена ошибка его оппонентов, состоявшая в том, что отрицалась реализуемость принципа инвариантности вообще.

Лекция 1. Основные понятия теории управления и радиоавтоматики. Фундаментальные принципы управления. Классификация систем управления. Общая характеристика задач анализа и синтеза систем

Основное содержание теории управления составляют математические методы анализа и синтеза систем. Основные задачи анализа - исследование свойств системы, прежде всего, устойчивости (в большинстве случаев неустойчивая система неработоспособна) и оценка показателей ее качества. Основные задачи синтеза – корректировка существующей системы или построение новой системы в соответствии с требованиями к ее свойствам и качеству.

Управление - это организованное воздействие на объект с целью обеспечения требуемого течения процесса в объекте или требуемого изменения его состояния.

Рисунок 1 графически интерпретирует это понятие.

На рисунке 1:

ОУ – объект управления;

y – выходной сигнал, характеризующий текущее состояние объекта управления;

g – задающее воздействие, описывающее требуемое состояние объекта управления (цель управления);

u – сигнал управления;

УУ – устройство управления (регулятор);

f – возмущающее воздействие – нерегулируемое воздействие внешней среды.

Классификация систем управления определяет выбор используемого математического аппарата и проводится по нескольким признакам. Мы ограничимся основными из них.

1. По принципу управления различают:

1а. Разомкнутые системы, общая структура которых соответствует рисунку 1. Конкретный пример представлен на рисунке 2. Здесь управляющий сигнал формируется в зависимости только от задающего воздействия. При появлении возмущающего воздействия разомкнутая система управления на него никак не реагирует, что приводит к непредсказуемому отклонению состояния объекта от требуемого. Поэтому разомкнутая система управления сама по себе неработоспособна.

1б. Замкнутые системы, реализующие управление на основе принципа обратной связи – формирование сигнала управления на основе сравнения текущего состояния объекта управления с требуемым (рисунок 3).

Простейший и основной вариант реализации принципа обратной связи – жесткая единичная отрицательная обратная связь. В этом случае сигнал управления формируется в соответствии с уравнением:

u (t )=k (g (t ) – y (t )). (1.1)

Примеры замкнутых систем представлены на рисунках 4, 5.

Более подробная классификация замкнутых систем проводится по виду обратной связи.

1в. Системы с компенсацией возмущения . Принцип компенсации возмущающего воздействия предусматривает измерение или оценку (идентификацию) величины возмущающего воздействия и использование этой информации для формирования управляющего сигнала (рисунки 6, 7)

1г. Системы комбинированного управления реализуют сочетание рассмотренных выше принципов. Наиболее распространенный вариант – замкнутая система с компенсацией возмущения (рисунки 8,9).

1д. Адаптивные системы. Принцип адаптивного управления состоит в накоплении в процессе работы системы информации о поведении объекта управления и характеристиках внешней среды и использовании этой информации для корректировки структуры и параметров закона управления (настройки устройства управления).

2. По цели управления различают:

2а. Системы стабилизации :g =const . К их числу относятся все рассмотренные примеры.

2б. Системы программного управления : g = g (t ). Пример – система управления ракетой-носителем. При выведении спутника на заданную орбиту законы изменения высоты, скорости, направления движения и пр. рассчитываются заранее. Задачей системы управления является обеспечение их изменения по заданным законам.

2в. Следящие системы : g = var . Пример – система управления антенной радиолокационной станции наблюдения за воздушной обстановкой. Задачей системы является обеспечение совмещения оси антенны с летательным аппаратом при заранее неизвестном законе его движения.

2г. Системы терминального управления. Пример – система самонаведения ракеты. Задачей системы является обеспечение минимального расстояния от ракеты до цели (промаха) в определенный конечный момент времени.

2д. Системы экстремального управления. Такие системы строят, когда в процессе управления требуется обеспечить максимум или минимум некоторых показателей (критериев оптимальности). Пример – система мягкой посадки космического летательного аппарата. Задачей системы является обеспечение мягкой посадки при заранее неизвестных начальных скорости и высоте с минимальным расходом топлива.

3. По структуре различают одномерные (со скалярными входными сигналами) и многомерные (с векторными входными сигналами) системы управления.

4. По форме математического описания различают линейные и нелинейные системы.

4а. Линейной является системы, для всех элементов которой может быть получено математическое описание в форме линейных алгебраических или дифференциальных уравнений.

4б. Если хотя бы один элемент системы не может быть описан линейным уравнением, вся система рассматривается как нелинейная.

Тематические материалы:

Спектакль-презентация для дошкольников «Садовник и Аленка

Как рассчитать доплату за вредные условия труда

Порядок декларирования и определения таможенной стоимости

Музыка ссср - варшавянка (полный текст) текст песни

Как переводится just do it?

Курс "Управление бизнес-процессами в организации (BPM)"

Внедрение и разработка системы KPI (ключевые показатели эффективности) примеры, формулы

Организация технического обслуживания средств вычислительной техники на предприятии Обслуживание свт