Управление техническими системами представляет собой научно-техническую дисциплину, изучающую методы и средства целенаправленного воздействия на различные технические объекты для обеспечения их требуемого функционирования. Эта область знаний лежит в основе современной автоматизации, робототехники и создания сложных технических комплексов.
1. Основные понятия и определения
Техническая система — совокупность взаимосвязанных элементов (деталей, узлов, агрегатов), объединённых для выполнения определённых функций и достижения заданных целей . К техническим системам относятся станки, транспортные средства, технологические линии, роботы и многие другие устройства.
Управление техническими системами — процесс целенаправленного воздействия на объект управления для перевода его из одного состояния в другое в соответствии с заданным алгоритмом или целью . Управление включает сбор информации о состоянии объекта, её обработку, принятие решения и выдачу управляющих воздействий.
1.1. Ключевые понятия теории управления
| Термин | Определение |
|---|---|
| Объект управления (ОУ) | Техническое устройство или процесс, на который направлено управляющее воздействие |
| Управляющее устройство (УУ) | Устройство, вырабатывающее управляющие сигналы на основе информации о состоянии объекта и заданной цели |
| Алгоритм управления | Совокупность правил и последовательность действий, определяющих процесс управления |
| Обратная связь | Передача информации о фактическом состоянии объекта на вход управляющего устройства |
| Возмущение | Внешнее воздействие, нарушающее требуемый режим работы системы |
1.2. Технический объект управления и его особенности
Технические объекты управления обладают рядом специфических характеристик, которые необходимо учитывать при проектировании систем управления. На примере пищевых производств можно выделить такие особенности, как непрерывность технологических процессов, инерционность, нелинейность характеристик и наличие запаздываний .
Показатели эффективности применения автоматизированных систем управления оцениваются по экономическим, технологическим и эксплуатационным критериям . Важное значение для развертывания системных исследований и автоматизированного проектирования новой техники имеют проблемы оценивания характеристик системы по показателям качества и критериям эффективности .
2. Принципы управления техническими системами
В основе управления техническими системами лежат фундаментальные принципы, определяющие способ организации управления.
2.1. Основные принципы управления
| Принцип | Сущность | Пример |
|---|---|---|
| Разомкнутое управление | Управление без контроля результата (по жёсткой программе) | Уличное освещение, включающееся по таймеру |
| Управление по возмущению | Компенсация известных внешних воздействий | Система стабилизации напряжения с учётом изменения нагрузки |
| Управление по отклонению (с обратной связью) | Коррекция управления на основе информации о результате | Термостат, поддерживающий заданную температуру |
Исторически первым примером автоматического регулятора с обратной связью считается регулятор уровня воды, изобретённый И.И. Ползуновым для паровой машины . Этот принцип лёг в основу современной теории автоматического регулирования.
2.2. Автоматизированные и автоматические системы
В зависимости от степени участия человека различают :
Автоматизированные системы управления — часть функций выполняется человеком-оператором;
Автоматические системы управления — все функции управления выполняются техническими средствами без участия человека;
Многоуровневые системы управления — иерархические структуры, сочетающие автоматическое и автоматизированное управление.
2.3. Основные функциональные блоки систем управления
Любая система управления независимо от назначения содержит типовые функциональные блоки :
Датчики — устройства для получения информации о состоянии объекта;
Устройства обработки информации — вычисляющие и логические блоки;
Исполнительные устройства — механизмы, непосредственно воздействующие на объект;
Устройства связи с человеком-оператором — пульты, дисплеи, индикаторы.
3. Классификация систем автоматического регулирования
Системы автоматического регулирования классифицируются по различным признакам .
3.1. По принципу изменения задания
| Тип системы | Характеристика | Применение |
|---|---|---|
| Системы стабилизации | Поддержание постоянного значения регулируемой величины | Стабилизация температуры, давления, напряжения |
| Программные системы | Изменение регулируемой величины по заданной программе | Программное управление станками, термообработкой |
| Следящие системы | Отслеживание произвольно изменяющейся величины | Слежение за целью, копировальные устройства |
3.2. По способу передачи и преобразования сигналов
Непрерывные (аналоговые) системы — сигналы изменяются непрерывно во времени;
Дискретные (цифровые) системы — сигналы представлены в виде последовательности импульсов или цифровых кодов.
3.3. По способности изменять характеристики
Адаптивные системы — способны изменять свои параметры при изменении условий работы;
Экстремальные системы — автоматически находят и поддерживают экстремальное значение регулируемой величины (максимум или минимум) .
4. Математическое описание систем управления
Для анализа и синтеза систем управления используются математические модели, описывающие поведение объектов и систем .
4.1. Типовые звенья линейных систем
Любая сложная система может быть представлена как совокупность типовых динамических звеньев:
Пропорциональное (усилительное) звено — выходная величина пропорциональна входной;
Интегрирующее звено — скорость изменения выхода пропорциональна входу;
Дифференцирующее звено — выход пропорционален скорости изменения входа;
Апериодическое звено — описывается дифференциальным уравнением первого порядка;
Колебательное звено — способно к затухающим колебаниям.
4.2. Переходная характеристика
Переходная характеристика — реакция системы на единичное ступенчатое воздействие. Она позволяет оценить динамические свойства системы: быстродействие, колебательность, перерегулирование .
4.3. Устойчивость систем управления
Устойчивость — способность системы возвращаться в установившийся режим после прекращения внешнего воздействия . Основы теории устойчивости были заложены российским математиком А.М. Ляпуновым.
Различают:
Устойчивые системы — переходный процесс затухает;
Неустойчивые системы — отклонения нарастают;
Системы на границе устойчивости — возникают незатухающие колебания.
4.4. Качество управления
Качество управления оценивается по двум группам показателей :
Показатели в установившемся режиме — точность поддержания заданного значения (статическая ошибка);
Показатели переходного процесса — время регулирования, перерегулирование, колебательность, время нарастания.
Определение сложности объекта управления необходимо для выбора типов автоматических регуляторов, обеспечивающих требуемое качество .
5. Современные системы управления
5.1. АСУТП и АСУП
На промышленных предприятиях применяются многоуровневые системы управления :
АСУТП (Автоматизированные системы управления технологическим процессом) — управляют технологическими процессами на уровне цеха или участка. Они обеспечивают контроль параметров, регулирование, блокировки и сигнализацию.
АСУП (Автоматизированные системы управления предприятием) — решают задачи планирования, учёта, материально-технического снабжения, сбыта на уровне предприятия в целом.
АИСУ (Автоматизированные информационные системы управления) — специализированные системы для сбора, обработки и анализа информации с целью поддержки принятия управленческих решений . На комбинатах хлебопродуктов АИСУ позволяют оперативно получать данные о наличии сырья, ходе производства и отгрузке готовой продукции.
5.2. Микропроцессорные системы управления
Современные системы управления строятся на базе микроконтроллеров и микропроцессоров . Они обеспечивают:
гибкость и перенастраиваемость;
высокую точность регулирования;
возможность реализации сложных алгоритмов;
интеграцию в единые информационные сети.
В автомобильном транспорте широко применяются электронные и микропроцессорные системы управления двигателем, трансмиссией, тормозной системой .
5.3. Технические средства автоматизации
Для построения систем управления используется комплекс технических средств :
Средства получения информации — датчики различных физических величин;
Средства обработки информации — контроллеры, промышленные компьютеры;
Средства представления информации — дисплеи, мнемосхемы, пульты;
Исполнительные устройства — двигатели, клапаны, задвижки, реле.
6. Системный подход в управлении техническими системами
Системный подход является методологической основой исследования и проектирования сложных технических систем .
6.1. Основные принципы системного подхода
Целостность — система рассматривается как единое целое;
Иерархичность — система имеет многоуровневую структуру;
Структуризация — возможность описания системы через установление связей между элементами;
Множественность описания — использование различных моделей для описания системы.
6.2. Дерево целей
Для анализа сложных систем используется метод построения дерева целей — иерархической структуры, отражающей соподчинение и взаимосвязи целей и задач функционирования системы . Этот метод позволяет:
декомпозировать общую цель на подцели;
установить приоритеты и взаимосвязи;
определить критерии оценки достижения целей.
6.3. Принятие решений в технических системах
Управление техническими системами неразрывно связано с процессами принятия решений. Современные методы принятия решений включают :
многокритериальную оптимизацию;
экспертные оценки;
методы теории игр;
имитационное моделирование.
Вывод: Управление техническими системами — комплексная научно-техническая дисциплина, изучающая методы и средства целенаправленного воздействия на технические объекты. Её теоретической базой служат принципы обратной связи, устойчивости и качества управления. Практическая реализация осуществляется через АСУТП, АСУП и микропроцессорные системы. Системный подход и современные методы принятия решений позволяют создавать эффективные системы управления для различных отраслей промышленности, транспорта и сельского хозяйства.
