textarchive.ru

Главная > Документ


ПРЕДМЕТ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ

Управление в широком смысле представляет собой воздействие на эволюцию (развитие во времени) того или иного процесса с целью придания ему желаемых свойств. При этом процесс может относиться к различным явлениям окружающего мира и областям человеческой деятельности (загрязнение Мирового океана, освоение космического пространства, социально-экономическая жизнь государств и коллективов людей, дипломатия и военное дело, технология и наука, создание и использование различных технических устройств и их комплексов, жизнедеятельность конкретного организма и т.д.).

Направленные воздействия осуществляет управляющая система, в качестве которой могут выступать человек, естественный или искусственный орган (устройство) и др. Подчеркнем, что в любом случае определение или интерпретация цели управления (желаемых свойств управляемого процесса) являются прерогативой человека или коллектива людей. Так, с научной точки зрения явления природы не являются целенаправленными, хотя очень многие вкладывают прямой смысл в утверждение: "Мир устроен целесообразно".

С задачей управления непосредственно связан вопрос: чем и зачем управлять? При соответствующем уточнении создается предпосылка решения задачи управления, что связано с ответом на вопрос: как управлять? Исследование этого вопроса составляет основное содержание теории управления.

В сложившейся математической теории управления первый вопрос является внешним: обычно предполагаются известными математическая модель процесса и необходимые сведения о состояниях модели в те или иные моменты времени, так что ясно, чем надо управлять. Кроме того, цель управления формализована (указана в подходящих терминах), а потому понятно, зачем надо управлять. Хотя в рамках теории управления рассматриваются разнообразные модели управляемых объектов и ставятся различные цели управления, вопрос об их адекватности реальным процессам и неформальным целям управления не ставится. Такой подход к теории управления позволяет широко использовать математические методы исследования. Практическая значимость полученных результатов зависит от содержательности принятых моделей управляемых процессов и целей управления.

Наибольшее развитие теория получила при исследовании процесса управления моделями, описывающими движение относительно простых физических и механических систем. Математические методы исследования проблемы управления лишь начинают пробивать дорогу при изучении моделей окружающей среды, экономических и социологических моделей, при описании сложных явлений в биологии, медицине и т.п.

Исходными являются понятия объект управления, цель управления, стратегия управления. Объект управления (ОУ) характеризуется наличием входного процесса (набором управляющих и возмущающих воздействий), выходного процесса (управляемого процесса или выхода ОУ) и связями между входными и выходными процессами. Теоретики часто отождествляют ОУ с оператором, отображающим заданное множество входных процессов в множество выходных процессов. Это входо-выходное отображение может иметь сложную функциональную форму, но обязано удовлетворять условию причинности: значение выходного процесса в каждый момент времени не должно зависеть от будущих значений входного процесса. Формализованное описание входо-выходного отображения называют также математической моделью управляемого процесса (управляемого объекта). Изменение входного управляющего процесса влечет изменение выходного процесса. Решение задачи управления состоит в требовании указать способ изменения во времени входного управляющего процесса, при котором выходной процесс обладал бы предписанными свойствами (то есть обеспечивал бы поставленные цели управления). Этот способ называют стратегией управления (СУ). Стратегия должна быть допустимой, то есть использовать лишь те данные об ОУ, которые доступны в соответствующий момент времени (эти данные могут изменяться, например, в результате обновления информации в процессе управления), и обеспечивать выполнение некоторых общих условий протекания процесса управления. (Важным из таких условий является обеспечение устойчивости системы управления, это свойство означает, что для любого ограниченного во времени входного процесса соответствующий выходной процесс также должен быть ограничен во времени. В некоторых приложениях требование устойчивости системы управления может выступать в качестве цели управления.) Задача управления предполагает задание класса допустимых стратегий, и ее решение состоит в выборе из этого класса стратегии, обеспечивающей выполнение ЦУ.

ПОНЯТИЕ ОБ АДАПТИВНОМ УПРАВЛЕНИИ

В инженерной практике обычно стремятся построить возможно более простую модель управляемого процесса (которая тем не менее должна отражать основные его свойства). Наличие простых моделей позволяет, в частности, более полно изучить процесс управления путем имитации его с помощью аналоговых либо цифровых вычислительных машин и в итоге выбрать наиболее подходящий режим работы системы управления.

Для современного производства характерны усложнение технологических процессов, ужесточение допустимых отклонений управляемого процесса от предписанных значений и т.д. Совершенствование методов управления в этих условиях предполагает разработку более сложных математических моделей управляемых процессов, позволяющих оптимизировать управление, а использование усложненных моделей порождает проблему задания значений характеристик и параметров модели, нужных для формирования требуемого управления. Более того, некоторые из таких параметров могут дрейфовать во времени вследствие износа или старения тех или иных устройств и механизмов, составляющих ОУ. Иногда можно учитывать подобный дрейф параметров путем регулярной замены изношенных деталей либо путем переналадки управляющей системы, но обычно это требует прерывания технологического процесса и потому может оказаться экономически невыгодным либо даже невозможным по производственным причинам. Широкое внедрение современных ЭВМ в процессы управления технологическими процессами позволяет контролировать изменение параметров без прерывания технологического процесса и использовать текущие значения параметров (либо их оценки) для формирования управляющих воздействий. Если параметры изменяются во времени достаточно медленно (что бывает во многих прикладных задачах управления), то такие методы управления могут оказаться весьма эффективными, поскольку не связаны с прерыванием технологического процесса для тестирования управляемого процесса или ОУ.

Адаптивное управление — совокупность методов теории управления, позволяющих синтезировать системы управления, которые имеют возможность изменять параметры регулятора или структуру регулятора в зависимости от изменения параметров объекта управления или внешних возмущений, действующих на объект управления. Подобные системы управления называются адаптивными. Адаптивное управление широко используется во многих приложениях теории управления.

Классификация адаптивных систем

По характеру изменений в управляющем устройстве адаптивные системы делят на две большие группы:

самонастраивающиеся (изменяются только значения параметров регулятора)

самоорганизующиеся (изменяется структура самого регулятора).

По способу изучения объекта системы делятся на

поисковые

беспоисковые.

В первой группе особенно известны экстремальные системы, целью управления которых является поддержание системы в точке экстремума статических характеристик объекта. В таких системах для определения управляющих воздействий, обеспечивающих движение к экстремуму, к управляющему сигналу добавляется поисковый сигнал. Беспоисковые адаптивные системы управления по способу получения информации для подстройки параметров регулятора делятся на

системы с эталонной моделью (ЭМ)

системы с идентификатором, в литературе иногда называют, как системы с настраиваемой моделью (НМ).

Адаптивные системы с ЭМ содержат динамическую модель системы, обладающую требуемым качеством. Адаптивные системы с идентификатором делятся по способу управления на

прямой

косвенный(непрямой).

При косвенном адаптивном управлении сначала делается оценка параметров объекта, после чего на основании полученных оценок определяются требуемые значения параметров регулятора и производится их подстройка. При прямом адаптивном управлении благодаря учёту взаимосвязи параметров объекта и регулятора производится непосредственная оценка и подстройка параметров регулятора, чем исключается этап идентификации параметров объекта. По способу достижения эффекта самонастройки системы с моделью делятся на

системы с сигнальной (пассивной)

системы с параметрической (активной) адаптацией.

В системах с сигнальной адаптацией эффект самонастройки достигается без изменения параметров управляющего устройства с помощью компенсирующих сигналов. Системы, сочетающие в себе оба вида адаптации называют

комбинированными.

Самонастраивающаяся система автоматического управления, самоприспосабливающаяся система, в которой приспособление к случайно изменяющимся условиям обеспечивается автоматическим изменением параметров настройки или путём автоматического поиска оптимальной настройки. В любой несамонастраивающейся автоматической системе управления имеются параметры, которые влияют на устойчивость и качество процессов управления и могут быть изменены при регулировке (настройке) системы. Если эти параметры остаются неизменными, а условия функционирования (характеристики управляемого объекта, возмущающие воздействия) существенно изменяются, то процесс управления может ухудшиться или даже стать неустойчивым. Ручная настройка системы часто оказывается обременительной, а иногда и невозможной. Использование в таких случаях Самонастраивающаяся система технически и экономически целесообразно и даже может оказаться единственным способом надёжного управления.
  Самонастраивающаяся система подразделяют на поисковые и беспоисковые. В поисковых Самонастраивающаяся система необходимое качество управления достигается в результате автоматического поиска оптимальной (в некотором смысле) настройки. Качество настройки характеризуется некоторым обобщённым показателем, связанным с первичными параметрами настройки сложным, обычно не вполне стабильным и недостаточно известным соотношением. Этот показатель измеряется непосредственно или вычисляется по измеренным значениям первичных параметров. Параметрам настройки придаются поисковые или пробные изменения. Анализ колебаний показателя качества настройки, вызванных поисковыми воздействиями, позволяет установить, является ли настройка оптимальной, т. е. соответствующей экстремуму (максимуму или минимуму) показателя качества. Если имеют место отклонения от экстремума, то настройка изменяется до тех пор, пока не приблизится к оптимальной. Поисковые системы могут работать при изменении внешних условий в широких пределах.
  Беспоисковые системы имеют перед поисковыми системами определённое преимущество, обусловленное тем, что поиск оптимального состояния отнимает значительное время, т. е. время самонастройки поисковых систем ограничено снизу. В беспоисковых систем используется некоторый контролируемый показатель качества управления (например, значение производной контролируемого параметра по времени). Автоматической настройкой параметров этот показатель поддерживается в заданных пределах. В зависимости от вида показателя различают Самонастраивающаяся система с контролем переходных процессов, с контролем частотных характеристик, с эталонной моделью и др. Всё это - замкнутые беспоисковые системы с замкнутым контуром самонастройки, в котором параметры настройки автоматически изменяются при выходе показателя качества за допустимые пределы. Некоторые замкнутые беспоисковые системы близки к обычным нелинейным системам автоматического управления с пониженной чувствительностью к характеристикам объекта - к таким, например, как релейные системы или управления системы с переменной структурой. Наряду с замкнутыми применяют также разомкнутые системы - т. н. системы параметрической компенсации. В этих системах контролируются воздействия, вызывающие изменение свойств объекта, и по заранее рассчитанной программе изменяются параметры настройки системы; контур самонастройки в этом случае разомкнут. Такая самонастройка может быть почти мгновенной, однако её осуществление требует контроля окружающей среды и достаточно точного знания законов воздействия среды на управляемый объект.
  Самонастройка реализуется как специальной аппаратурой (в виде блоков самонастройки или самонастраивающихся экстремальных регуляторов), так и адаптивными алгоритмами центральных управляющих ЦВМ. Придание алгоритмам управления свойств самонастройки (адаптации) существенно расширяет возможности управления разнообразными процессами. Внедрение Самонастраивающаяся система позволяет приблизиться к оптимальным режимам функционирования объектов, облегчает задачу унификации систем управления, сокращает время на испытания и наладку, снижает технологические требования на изготовление ряда узлов устройств управления, освобождает обслуживающий персонал от трудоёмких операций настройки. Практическое использование самонастраивающихся систем и самонастраивающихся алгоритмов - одна из характерных черт технического прогресса в области управления.

Задачи синтеза адаптивных систем управления

Создание и совершенствование систем автоматического управления (САУ) является одной из важных проблем, решение которой во многом определяет уровень развития науки и техники. Поэтому задача создания качественно новых САУ, обеспечивающих высокую точность управления и адаптации является актуальной. С ужесточением условий эксплуатации систем управления выдвигаются дополнительные требования к их качественным показателям.

В этих условиях при заданных ограничениях становится необходимым построение оптимальных САУ, обеспечивающих минимальную погрешность при наличии переменных во времени влияющих воздействий. При этом входное и влияющие воздействия являются случайными функциями времени. Решение задачи оптимизации (синтеза) измерительной системы позволяет найти оптимальное управление качеством системы уже на стадии ее проектирования.

Задача синтеза. Задача синтеза системы автоматического управления (САУ) рассматривается как задача определения структуры и параметров модели системы, обеспечивающей оптимум заранее выбранного критерия качества при наличии влияющих воздействий и заданных ограничениях.

В качестве САУ принята система, состоящая из датчиков, фиксирующих режим работы плазмотрона и устройства обработки, реализующие операции согласования и восстановления сигналов. На рис. 1 представлена обобщенная структурно-функциональная схема (модель) преобразования сигналов в САУ. Отдельные звенья преобразования представляют собой функциональные устройства, которые могут быть выполнены в виде отдельных технических устройств или объединены в некоторые технические устройства. Последовательность звеньев в модели преобразования сигналов фиксирована, причем в реальных САУ отдельные преобразования могут отсутствовать. В целом САУ представляет собой иерархическую систему, нижнему уровню которой соответствуют отдельные элементарные субсистемы преобразования, которые на следующем уровне объединяются в указанные на рис. 1 звенья системы.

Согласно приведенной схеме на вход САУ поступают физические величины , которая преобразуется датчиком в электрический сигнал , поступающий затем на устройство обработки сигнала. В устройстве обработки реализуются последовательно операции согласования сигналов и восстановления (определения оптимальных оценок входной величины) сигнала на входе САУ. Реализация процесса нахождения оптимальных оценок входной величины может осуществляться, например, в устройствах адаптивной коррекции, в состав которых входят звенья идентификации моделей датчиков, либо самонастраивающиеся модели. Реализация процессов согласования сигналов осуществляется в согласующих устройствах, в состав которых могут входить усилители, фильтры, различного рода преобразователи – аналого-цифровые, цифро-аналоговые и т.д.

Большое внимание при синтезе любой САУ уделяется выбору решений, которые во многом определяют качество синтезируемой системы. Причем при решении задачи синтеза многозвенных систем, к которым относятся САУ, их конечное состояние является результатом отдельных решений, принятых поэтапно для каждого звена (субсистемы).

Решение задачи синтеза целиком зависит от корректности постановки задачи – от полноты тезауруса, включающего в себя класс моделей САУ, модели исследуемого процесса и влияющих величин, критерий оптимальности и функции ограничений. Некорректно поставленная задача, неправильно выбранное решение уже на стадии математического моделирования могут привести к значительной погрешности САУ. Поэтому перед выбором решения должен быть проведен анализ вопросов, уточняющих постановку задачи. В результате должны быть определены:

модель исследуемого входного процесса либо его вероятностных характеристик;

класс моделей, в котором ищется оптимальная модель САУ;

модели влияющих величин либо их вероятностных характеристик;

критерий оптимальности;

функции ограничений.

Модель входного процесса. При построении оптимальной модели САУ необходимо точное знание структуры и параметров входного воздействия, его математической модели, что в большинстве случаев является практически неразрешимой задачей. Поэтому при синтезе САУ обычно пользуются приближенными описаниями математической модели входного воздействия, полученными на основании теоретических данных, либо экспериментальных исследований по косвенным параметрам. Очевидно, что приближенная модель не охватывает всего многообразия исследуемого процесса. Степень приближения принятой модели у реальной во многом определяет качество воспроизведения исследуемого процесса синтезируемой САУ. К тому же техническое воплощение систем, обеспечивающий бесконечную совокупность реализаций, либо бесконечную длительность одной реализации, принципиально не представляется возможным. Современные технические средства позволяют воспроизводить реализацию исследуемого процесса лишь в ограниченной области его изменения. Поэтому условия для точного измерения параметров процесса принципиально никогда не могут быть реализованы на практике. Однако при проведении целого ряда исследований практический интерес представляет не весь процесс, а лишь его ограниченный участок. Причем в зависимости от характера решаемых при исследовании задач одному и тому же процессу могут быть приписаны различные математические модели. Принятая модель процесса в основном и определяет задачу синтеза оптимальной САУ.

Класс моделей. Принадлежность САУ к тому или иному классу определяется совокупностью признаков, характерных для данного класса. Совокупность признаков САУ, в свою очередь, обусловлена характерными признаками отдельных ее субсистем, либо одной определяющей субсистемы. При проведении поэтапной (поэлементной) оптимизации системы в зависимости от функции цели могут использоваться как полные, так и неполные рабочие модели. Последние, в свою очередь, могут отличаться от полных моделей как по структуре, так и по составу параметров. В этом случае необходимо, чтобы они были адекватны полным моделям по основным признакам, определяемым функциями цели. При этом выполнение требования адекватности влечет за собой выполнение условий, требующих реализации дополнительных условий в измерительной и управляющей процедурах САУ.

Критерий оптимальности. Критерий оптимальности характеризует цель, которую должна достичь синтезируемая САУ по своим определяющим показателям качества при заданных ограничениях.

Критерий должен по возможности полно и точно характеризовать качество системы. Выбирая критерий приходится решать задачу на оптимум, учитывая два противоречивых фактора: сложность критерия, полноту и точность отображения критерием назначения системы. Чем полнее и точнее критерий отображает систему, тем он сложнее. Найти математическую зависимость всех качеств системы от ее характеристик и объединить их в одном критерии обычно не удается. Поэтому в каждом конкретном случае проводится анализ основных показателей качества и выделяется главное качество системы, которое и используется как критерий.

Основными показателями качества для САУ являются точность, надежность, устойчивость, удобство эксплуатации, габаритные размеры, электропотребление и т.д. Когда предъявляются высокие требования к достоверности отработки управления, определяющим показателем качества является точность. Она служит функцией цели при синтезе САУ. Остальные показатели и, в первую очередь, такой, как надежность, являются ограничивающими. В этом случае основная задача синтеза САУ состоит в реализации оптимальной точности и выполнении условий физической реализуемости, достаточной надежности, допустимых габаритных размеров, массы и т.д. Превышение величины оптимальной точности может привести к резкому снижению остальных качественных показателей и в результате – к непригодности САУ для работы в реальных условиях.

Надежность в работе рассматривается как свойство системы безотказно выполнять свои функции при сохранении точности в допустимых пределах. Она обусловлена как эксплуатационной надежностью, оцениваемой безотказностью конструкции и схемы САУ, так и метрологической, при которой метрологические характеристики, в частности динамическая точность, сохраняются в допустимых пределах при работе в определенных условиях эксплуатации и заданной продолжительности. Так как надежность САУ зависит от надежности всех входящих в систему элементов, то при ее проектировании большое внимание должно уделяться количественному и качественному выбору всех элементов системы с точки зрения надежности. Для повышения надежности САУ при ее разработке должны быть предусмотрены:

блочный или модульный принцип построения конструкции;

резервирование элементов системы, находящихся в особо напряженных условиях работы;

регулярная метрологическая проверка САУ в процессе ее эксплуатации с использованием либо встроенного, либо автономного устройства контроля и т.д.

В общем случае, погрешность САУ – случайный процесс. Ее полной характеристикой является закон распределения, который может быть представлен в виде условной, либо безусловной плотностей распределения вероятностей. Практически использование плотности распределения вероятностей в качестве критерия погрешности сопряжено с рядом трудностей и не всегда возможно. Поэтому принято оценивать погрешности числовыми характеристиками, связанными тем или иным оператором с законом распределения. К таким характеристикам относятся экстремальные и интегральные характеристики, а также оценки, основанные на применении доверительных интервалов.

При обработке сигналов, когда требуется наилучшее воспроизведение формы полезного сигнала из его смеси с помехами, используются в основном два критерия: критерий минимума среднеквадратичной ошибки и критерий максимума апостериорной вероятности. Когда помехи не учитываются, может быть использован критерий минимума модуля текущего значения ошибки.

Оптимизация адаптивных систем. Адаптивные системы в отличие от систем с постоянными параметрами осуществляют автоматическую подстройку параметров корректирующего устройства под переменные параметры датчиков, обеспечивая тем самым выполнение основного условия коррекции в процессе нормального функционирования систем. Адаптивные системы от остальных отличает наличие контура управления корректирующим устройством. Он выполняет операции определения характеристик сигналов системы в процессе ее нормального функционирования и преобразования получаемых результатов определений в некоторый текущий критерий управления с его последующей реализацией.

Классификация адаптивных систем. По характеру рабочей информации, используемой для реализации процесса управления, адаптивные системы можно разделить на две основные группы:

системы, содержащие в своем составе каналы параметрической идентификации и осуществляющие управление параметрами корректирующего устройства непосредственно через найденные оценки параметров датчиков;

системы (относящиеся к группе аналитических самонастраивающихся систем), содержащие в своем составе контуры (модели) самонастройки и осуществляющие управление параметрами корректирующего устройства через сигналы рассогласования базовой субсистемы и самонастраивающейся модели.

По способу получения рабочей информации каждую из групп адаптивных систем можно разделить на системы:

с непосредственным получением рабочей информации по основному параметру;

с получением рабочей информации по косвенным параметрам.

И, наконец, по способу отработки алгоритма управления адаптивные системы можно разделить на системы:

с непрерывной отработкой алгоритма управления;

с периодической отработкой алгоритма управления.

Характерной особенностью адаптивных систем является то, что в них выполняются одновременно процессы измерения, коррекции и управления. Системы при этом работают в двух режимах – режиме обучения, в котором реализуются алгоритмы управления, и режиме измерения (включая коррекцию). В режиме обучения процесс можно считать завершенным, когда построена оптимальная модель базовой субсистемы, отвечающая основному условию коррекции. В этом случае режим измерения завершается получением оптимальных оценок процесса на входе САУ.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Управление в широком смысле представляет собой воздействие на эволюцию (развитие во времени) того или иного процесса с целью придания ему желаемых свойств

    Документ
    ПРЕДМЕТ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯУправление в широкомсмыслепредставляетсобойвоздействиенаэволюцию (развитиевовремени) тогоилииногопроцесса с цельюприданияемужелаемыхсвойств. При этом процесс может относиться к различным явлениям окружающего ...
  2. Южная секция содействия развитию экономической науки ежегодник

    Документ
    ... илииной тенденции или модели экономического развития, ограниченность в пространстве и вовременитогоилииного набора инструментов экономической политики. Более того ...
  3. Тайм-менеджмент 110 статей 1 искусство планирования времени или жизнь без стресса

    Документ
    ... временитогоилииного курса, факультета, класса. Они отмечают, сколько времени тратится на лекции, на ожидание лекций, на ... смысл включает в себя опору на реальность; самодисциплина выражена в нормах и расписаниях; порядок представляетсобойпроцесс ...
  4. Широком смысле этого слова - информационная и компьютерная

    Автореферат диссертации
    ... здравым смыслом. Полагайтесь на вашу одежду, чтобы быть согретым, а не на огонь. Вовременных убежищах ... исполнению убеждение представляетсобой явную, иной раз и скрытую дискуссию, дополняемую неким стимулирующим воздействием. Каждый ...
  5. Основы духовной культуры

    Документ
    ... процесс вхождения человека во храм как начала его церковной жизни. В широкомсмысле ... к другу, метод воздействияна человека в целяхуправления его поведением, состоящий ... опоре на сенситивные периоды развития в усвоении тогоилииного предметного знания ...

Другие похожие документы..