WWW.OS.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Научные публикации
 

«1. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ КАК ОБЪЕКТ ТЕХНИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ 1.1. Понятие информации, информатики и ...»

3

1. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ КАК

ОБЪЕКТ ТЕХНИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ

1.1. Понятие информации, информатики и кибернетики

Общей чертой процессов управления вне зависимости от того, к какой

области знаний они относятся (технической, биологической, экономической

и пр.), является их информационный характер. Действительно, процесс

управления требует: сбора, передачи, переработки и использования информации о внешних и внутренних условиях для эффективного приспособления к ним и воздействия на них.

Информация (в широком смысле) – это сведения об окружающем мире, которые получены в результате взаимодействия с ним, приспособления к нему и изменения его. Информация передается при помощи сигналов, реализованных в изменениях той или иной физической переменной, характеризующих последовательность некоторых событий. Количество информации, ее эффективность не определяется количеством энергии, необходимым для передачи информации. Энергетическая сущность процессов отступает на второй план по отношению к информационной.

Информация является объектом теории информации, – раздела кибернетики, в котором математическими методами изучаются способы измерения количества информации, содержащимся в каком-либо сообщении, и ее передачи.



Процесс передачи информации можно представить следующей последовательностью действий (рис. 1.1).

Объект поИсточник Канал Передатчик Приемник лучения ининформации связи информации информации формации Источник помех Рис. 1.1. Схема системы передачи информации Источник информации формирует сообщение, содержащее информацию. Сообщение представляет собой упорядоченную последовательность символов (букв, цифр, знаков и пр.), выбранную из некоторой совокупности элементарных символов. Процесс формирования сообщения рассматривается вероятностным, представляющим собой последовательность выборок из данной совокупности символов. Чем выше степень непредсказуемости, чем больше свобода выбора при образовании сообщения, тем большее количество информации оно содержит.

Передатчик (датчик) информации преобразует сообщение в сигнал на основе того или иного кода, осуществляя процесс кодирования сообщения.

Сигнал поступает в канал связи и передается на приемник информации, где осуществляется обратное преобразование сигнала в сообщение (декодирование). Восстановленное таким образом сообщение передается получателю, которым может быть объект управления. Во время передачи сигнала на него неизбежно накладываются помехи, что приводит к искажению сигнала.

Передача и прием информации возможны при условии, что сообщение является случайной, непредсказуемой последовательностью символов, а сами символы должны иметь один и тот же смысл для источника и приемника информации. Если содержание сообщения известно заранее, оно не несет никакой информации.

Проблема передачи информации вызвала появление – информатики, отрасли науки, изучающей структуру и свойства информации, вопросы ее сбора, хранения, поиска, обработки, преобразования, распространения и использования в различных сферах человеческой деятельности. Информатика включает в себя всю технологическую деятельность, связанную с использованием вычислительной техники при разработке информационных систем.

Сущность информатики заключается в триединстве математической модели, позволяющей использовать научные методы преобразования информации, алгоритма, обеспечивающего применение численных методов к решению информационных задач, и программы, реализующей новую информационную технологию.

Кибернетика - это наука об общих принципах и законах управления, связи и переработки информации в процессах и объектах различной физической природы. Отдельной ее ветвью является техническая кибернетика, предметная область которой - это управление технологическими процессами и техническими объектами на основе получения, передачи, переработки и использования информации.

Термин кибернетика, введенный Н. Винером, появился раньше термина информатика. Общим для этих отраслей знаний является то, что в них рассматриваются информационные процессы, которые в кибернетике используются для целей управления, а в информатике – для более широкого круга процессов и явлений.

Кибернетика, так же как теория информации и информатика, существенным образом связана с понятиями вероятности и случайных процессов, математической статистики. Дело в том, что воздействия, приложенные к системам управления, в общем случае являются не детерминированными, а случайными функциями времени. Кроме того, случайным изменениям подвержены параметры системы. Это вносит некоторую непредсказуемость в поведение системы, что привело к необходимости введения между выходом и входом отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает влияние помех на точность управления.

ООС является основным универсальным принципом управления в кибернетике. Сущность ООС в том, что для достижения цели управления необходимо получать достоверную информацию о протекании процесса на выходе системы управления, т. е. о регулируемой переменной. Для чего текущее действительное значение выходной переменной y(t) с помощью цепи обратной связи сравнивается с требуемым значением, которое задается управляющим воздействием g(t). Найденное отклонение (сигнал ошибки) t g t y t (1.1) используется регулирующим устройством для управления объектом (рис.





1.2). Система становится в этом случае замкнутой, слабо реагирует на возмущения и подчиняется главным образом управляющему воздействию, которое задает требуемое значение регулируемой выходной переменной. Возмущающее воздействие w(t) может быть проложено к любой точке системы.

–  –  –

Рис. 1.2. Схема замкнутой системы автоматического регулирования РУ – регулирующее устройство; ОУ – объект управления; 1 – устройство сравнения регулируемой переменной и управляющего воздействия; 2 – цепь обратной связи

1.2. Сравнительная оценка систем автоматического регулирования (САР) и управления (САУ) Следует отличать регулирование от управления, в рамках которого решаются задачи верхнего уровня, и формируется управляющее воздействие или уставка САР (регулятора). Эта задача сводится к нахождению экстремума сложного функционала эффективности в реальном времени в процессе управления, как правило, с использованием компьютеров.

САР играет роль системы нижнего уровня в управлении объектом. Это активная динамическая система, которая на основе принципа обратной связи стремится сохранить в допустимых пределах отклонение действительного значения регулируемой переменной от ее требуемого значения.

Анализ и синтез САР, является предметом теории автоматического регулирования (ТАР), которая изучает устойчивость и качество процессов в системе РУ – ОУ, базируется на рассмотрении преимущественно обыкновенных линейных дифференциальных уравнений. Основы этой теории были заложены И. А. Вышнеградским, А. Стодолой, Д. К. Максвеллом. По существу она тесно соприкасается с теорией устойчивости движения «в малом»

А. М. Ляпунова, но имеет ярко выраженную инженерную направленность.

Основной проблемой ТАР является качественное воспроизведение регулируемой переменной y(t) на выходе по управляющему воздействию или уставке g(t) на входе. Представим технологический процесс, в котором продолжительное время необходимо поддерживать постоянными или изменять по определенному закону некоторые физические величины (параметры режима). Эти величины называют регулируемыми переменными (температура, давление, координаты местоположения, скорость движения, частота вращения и т.д.).

Техническую реализацию данной задачи можно осуществить с помощью автоматического регулятора, обеспечивающего целенаправленное изменение регулируемой переменной по принципу разомкнутого или замкнутого цикла (т. е. с обратной связью). В случае разомкнутого цикла регулирования невозможно поддерживать заданное значение регулируемой переменной длительное время. Действия на процесс неконтролируемых возмущающих воздействий приводит к изменению ее значения, что нарушает соответствие между управляющим входным воздействием и регулируемой выходной переменной. Ошибка поддержания регулируемой переменной будет расти во времени.

В регуляторах с замкнутым циклом или с обратной связью (см. рис.

1.2) точность регулирования (поддержания) регулируемой переменной будет практически неизменной. Что объясняется неизменностью функционального соотношения между входом и выходом, в частности пропорциональности.

–  –  –

Рис. 1.3. Изменения во времени переменных в САР с ООС а - случай постоянного; б - случай пропорционально изменяемого требуемого значения регулируемой переменной

–  –  –

Рис. 1.4. Схема расположения основных векторных переменных процесса управления относительно объекта: (t) – вектор шума измерения Вектор управлений ut образован m управляющими воздействиями, которые формирует управляющая подсистема. Вектор возмущений w t составляют k возмущающих воздействий, создаваемых внешней средой и являющихся, вообще говоря, случайными функциями. А вектор состояния x t сформирован n переменными, характеризующими состояние объекта, которые представляют собой некоторые обобщенные координаты (рис. 1.4). Наличие измерительного устройства, позволяет сформировать вектор выхода y t (выходных переменных), компонентами которого являются измеряемые (наблюдаемые) переменные. Данный вектор несет информацию о состоянии объекта.

В каждый момент времени t состояние объекта управления определяется его начальным состоянием в момент времени t0, вектором управления и возмущения, т. е. имеем векторное уравнение x t Fx t 0 ; u t ; w t, (1.4) где F некоторая функциональная нелинейная зависимость.

Векторное соотношение (1.4) можно записать в виде системы n скалярных уравнений, по числу переменных состояния x i t F i x t 0 ; u t ; w t ; i 1, 2,..., n. (1.5) Выражения (1.4) и (1.5) можно принять за математическую модель системы в общем случае.

В случае САУ, описываемых дифференциальными уравнениями уравнения (1.4) и (1.5), приводятся к виду:

d x t x t Fx t 0 ; u t ; w t.

(1.6) dt В общем случае уравнение (1.6) является стохастическим уравнением, поскольку вектор возмущений w(t) изменяется во времени по случайному закону. Кроме того, в реальных системах всегда существуют ограничения, которые накладываются на значение управления u(t) и состояния x(t):

x t X R n ; ut U R m, (1.7) где X и U являются областью (ограниченное замкнутое множество) nмерного пространства состояний и m-мерного пространства управлений.

Качество управления САУ определяется значением функционала эффективности E x t ; u t ; w t, (1.8)

–  –  –

1.3. Современная САУ технологическими процессами Появление сложных непрерывных технологических процессов, сопровождающихся комплексом физических явлений, большими энергетическими и материальными потоками, жесткими требованиями к качеству продукции и безопасности персонала потребовало более сложных систем управления.

–  –  –

Рис. 1.6. Структура современной САУ технологическим процессом КУ – контур управления процессом; УОС – устройство оценивания состояния процесса; УУ – устройство управления процессом d – вектор идентифицирующих входов; x - оценка вектора состояния; ud, xd – уставки оптимизации;

k – вектор параметров настройки алгоритма УУ; р – вектор параметров настройки УОС; b – вектор параметров модели процесса

В качестве предпосылок к созданию подобных систем можно назвать:

- ограниченность ручного управления процессом;

- повышение надежности, быстродействия и вычислительной мощности, снижение стоимости ЭВМ;

- развитие современных методов управления, применяемых в авиационно-космической технике.

В состав структуры современной САУ (рис. 1.6) входят: управляемый процесс с векторами управлений, возмущений (контролируемых и неконтролируемых), состояний и дополнительных идентифицирующих воздействий.

Измерительное устройство, формирующее вектор выходных переменных y в условиях помех, который поступает на вход УОС.

Устройство для оценивания состояния процесса по зашумленным наблюдениям u, y и математической модели процесса формирует наилучшую в некотором смысле оценку состояния – вектора x. Устройство характеризуется вектором параметров p, который рассчитывается предварительно или в темпе с процессом по информации о параметрах модели процесса b, измерениям y и текущим оценкам состояния x.

Управляющее устройство формирует вектор управляющих воздействий u, используя для этого текущие оценки состояния технологического процесса, вектор параметров k для настройки алгоритма управления, а также уставки ud; xd, которые обеспечивают оптимальное управление процессом.

Компоненты вектора k могут определяться предварительно или настраиваться согласно изменениям оценки состояния процесса x, векторов выхода y и параметров модели процесса b.

Рассмотренная замкнутая цепочка устройств образует собственно контур управления (КУ) технологическим процессом. Остальные устройства (см.

рис. 1.6) находятся вне контура управления и могут отсутствовать в конкретной САУ.

Например, при постоянстве параметров технологических процесса нет необходимости в системе идентификации, которая по результатам измерений определяет текущий вектор параметров модели процесса b. Для этого система идентификации использует дополнительные входные воздействия d, не нарушающие режим эксплуатации объекта. При отсутствии временной зависимости параметров процедуру идентификации производят однократно.

Если же процесс нестационарный, ее периодически повторяют, чтобы отслеживать изменяющиеся условия хода технологического процесса.





Похожие работы:

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ (МТУСИ) Кафедра линий связи Курсовая работа Проектирование волоконно-оптической линии связи Вариант 23 Москва 2009 Содержание 1. Введение 2. Задание 3. Расчет нагрузки 4. Выбор системы передачи 5. Выбор трассы линии 6. Выбор типа кабеля 7. Расчет параметров кабеля и длины регенерационного участка 8. Выбор метода прокладки и определение механических усилий 9. Упрощенный расчет грозозащиты магистральных оптических...»

«Список новых поступлений литературы в январе феврале 2015 года В1 Математика и информатика : учебник [для студентов учреждений сред. М340 проф. образования по юрид. специальностям / Ю. Н. Виноградов и др.]. 6е изд., стер. М. : Академия, 2014. 271, [1] с. Х Теория государства и права : курс лекции / [Г. Ю. Дорский и др. ; под общ. Т338 ред. С. Л. Сергевнина, П. А. Оля] ; Федер. гос. бюджет. образоват. учреждение высш. проф. образования Рос. акад. народого хоз-ва и гос. службы при Президенте Рос....»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ (МТУСИ) Кафедра линий связи Курсовая работа Проектирование волоконно-оптической линии связи Вариант 23 Москва 2009 Содержание 1. Введение 2. Задание 3. Расчет нагрузки 4. Выбор системы передачи 5. Выбор трассы линии 6. Выбор типа кабеля 7. Расчет параметров кабеля и длины регенерационного участка 8. Выбор метода прокладки и определение механических усилий 9. Упрощенный расчет грозозащиты магистральных оптических...»

«Конструкторско технологическая информатика Лекция №1 История развития МГТУ им. Н.Э. Баумана, кафедры «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры (ИУ-4), вычислительной техники Заведующий кафедрой ИУ4 член-корреспондент РАН, докт. техн. наук, профессор Шахнов Вадим Анатольевич Кафедра ИУ4 «Проектирование и технология производства ЭА» История создания и становления университета •1763 г. – учреждение воспитательного дома «для приносных детей и сирот» •1 июля 1830 г. – создание...»

«УДК 303.725.37 А.В. Соколов Информация как метафора Критически рассмотрены определения информации, используемые в современной науке вообще и библиотечной науке в частности. Обосновано понимание информации как метафоры, выражающей смыслы коммуникабельными знаками. Ключевые слова: дефиниция, информация, библиотековедение. A.V. Sokolov Information as a metaphor The definitions of information used in modern science in general and library science in particular are critically considered. The...»





 
2016 www.os.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Научные публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.