Фундаментальные принципы управления. Фундаментальные принципы управления Питера Ф

В технике известны и используются три фундаментальных принципа:

1. принцип разомкнутого управления;

2. принцип компенсации (управление по возмущению);

3. принцип обратной связи (управление по отклонению).

Они могут присутствовать сразу все в одной системе, и тогда управление называется комбинированным, или применяться по отдельности. Рассмотрим каждый принцип управления, как самостоятельный.

Принцип разомкнутого управления. Его сущность состоит в том, что алгоритм управления вырабатывается только на основе заданного алгоритма функционирования и результаты автоматического управления не корректируются другими факторами – возмущениями или выходными координатами процесса (рис. 26).

Рис. 26. Схема системы разомкнутого управления

Схема на рис. 1. имеет разомкнутый контур, что определило ее название. Близость показателей Х и в разомкнутых системах обеспечивается только конструкцией и подбором физических закономерностей, действующих во всех ее элементах. Несмотря на очевидные недостатки, этот принцип широко используется из-за его простоты (например, системы станков с программным управлением).

Принцип компенсации или управления по возмущению. Возмущающее воздействие может быть таким, что разомкнутая цепь управления не обеспечивает требуемой точности выполнения алгоритма функционирования. Как выход из положения, можно измерять возмущение и вводить коррективы в управление. В результате имеем схему, как показано на рис. 27 (для простоты здесь и далее воздействия изображены обычными стрелками).

Рис. 27. Схема управления по возмущению

В отличие от разомкнутой схемы имеется контур с дополнительным элементом 4 системы, который вырабатывает корректирующее воздействие так, что повышается точность управления. Реализуется принцип инвариантности (независимости) САУ к данному возмущению объекта.

Принцип обратной связи. Регулирование по отклонению. При наличии нескольких возмущений с одинаково сильным влиянием на объект, управление по возмущению становится сложным, поскольку требуется измерение каждого возмущения и соответствующей обработки информации. В таком случае систему создают так, чтобы точность выполнения алгоритма функционирования обеспечивалась без измерения возмущений . Достаточно вносить коррективы в алгоритм управления по фактическому значению выходной координаты в системе (рис. 28).

Рис. 28. Схема управления по замкнутому контуру

В конструкцию системы вводят дополнительную связь 4, в которую входят элементы для измерения Х и для выработки корректирующего воздействия на управляющее устройство. Схема имеет замкнутый вид, что дает основание назвать реализуемый в ней способ принципом управления по замкнутому контуру, причем дополнительная цепь называется цепью обратной связи.

В технике автоматического управления наиболее широко представлен частный вид замкнутых систем, в которых коррекция алгоритма управления осуществляется не по значению координаты Х, а по ее отклонению от значения, определяемого алгоритмом функционирования , т.е. по величине:

Схема, использующая данную разновидность принципа управления с обратной связью, показана на рис.29.

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 .

Со времен возникновения первых цивилизаций Месопотамии, Древнего Китая, Египта – основные принципы менеджмента характеризовались деспотической формой руководства подчиненными. Таким образом, система государственного принуждения служила необходимым механизмом по обслуживанию ирригационных систем. Которые позволяли собирать урожаи, практически, круглый год, вне зависимости от благосклонности погодных условий. Что в конечном итоге способствовало процветанию страны и всех ее граждан.

Древние греки одни из самых первых начали превозносить управление в особое искусство. В свою очередь, административное устройство Римской Империи – апофеоз управленческой мысли того времени, вместе со сложной структурой бюрократического аппарата и порядком принятия решений.

Параллельно формированию новых типов государственности и способов производства, управление постоянно подвергалось структурным изменениям, но только лишь на рубеже XIX – XX ст. оформилось в отдельную науку, функционирующую по определенным принципам.

Классификация современных принципов управления!

Современная концепция менеджмента была разработана Фредериком Тейлором и Анри Файолем вначале прошлого века. Первый, предал управлению научного обоснования. Второй, вывел основные принципы руководства компанией на высшем уровне.

В последующие десятилетия теория управления была дополнена трудами Дж. Муни, А. Рейли и Л. Гьюлика. Их внимание было сосредоточено на основополагающих элементах менеджмента – планирование, организация, мотивация, контроль.

В конечном итоге, это позволило вывести классификацию принципов управления по трем направлениям:

1. Универсальные принципы построения организации
2. Принципы, описывающие функциональную составляющую управления
3. Правила, включающие симбиоз коммерческого менеджмента и государственного регулирования.

Применение на практике основных принципов менеджмента!

Принцип 1: планирование!

В преддверии реализации нового проекта, планирование машинально становится первоочередным мероприятием на повестке дня у руководства компании и сопутствующих органов управления: финансового, маркетингового и технического отделов.

Во время планирования управленческие структуры организации занимаются постановкой стратегических, среднесрочных и повседневных целей. Менеджментом компании берутся во внимание статистические показатели приоритетного сегмента рынка, финансовые возможности и доступные ресурсы, инновационные разработки, а также механизмы по продвижению и сбыту выпускаемой продукции.
В совокупности, все эти факторы, с учетом конкурентной среды, способствуют постановке стратегии развития предприятием, без которой невозможно проводить целенаправленную политику.

Принцип 2: руководство!

Работа организации невозможна без четкой иерархии руководящих органов. Управленцы обязаны выступать связующим звеном между рабочими, отделами интеллектуального труда и потребителями, главная цель которых – достижение поставленных задач компании.

В полной мере функции руководителей сводятся к следующим характеристикам:

1. Своевременное принятие управленческих решений по отношению к подчиненным.
2. Поиск и применение механизмов по удовлетворению потребностей собственников, потребителей, поставщиков, а также и других субъектов, вовлеченных в деятельность компании.
3. Совмещение централизованного и децентрализованного управления, методом обеспечения свободы действий, но с регламентированными правилами подотчетности.
4. Мотивация сотрудников.
5. Обучение кадров с правом повышения квалификации.
6. Регулирование взаимоотношений в коллективе.
7. Постановка целей и задач компании с последующей их реализацией.

Принцип 3: нацеленность на потребителя!

Основные принципы менеджмента, так или иначе, ориентированы на успешное функционирование организации. Однако только потребители имеют прямое влияние на компанию, которая должна безотказно потакать нынешним и предвидеть будущие потребности клиентов.

В этом направлении необходимо проделывать следующую работу:

1. Анализировать предпочтения потребителей – качество, упаковка и цена товара.
2. Реагировать на изменения уровня удовлетворенности покупателей.
3. Практиковать обратную связь.
4. Соответствовать запросам общества в отношении предоставляемых услуг.

Принцип 4: вовлечение и стимулирование сотрудников!

Безусловно, коллектив коммерческой организации – организм, которым необходимо управлять и дополнительно стимулировать, для того, чтоб во благо использовать знания, умения и опыт каждого его члена.

При вовлечении сотрудников необходимо инициировать перенятие ответственности за разрешение повседневных задач на них самих. Тем самым, это позволит активно совершенствоваться персоналу, проявлять инициативу, гордиться собственной работой и, в конце концов, получать удовольствие. Таким образом, у подчиненных будет проявляться стремление к профессиональному росту в угоду развития компании.

Принцип 5: комплексный подход к менеджменту организации!

Комплексный подход по отношению к менеджменту рассматривает управление как систему взаимодополняющих процессов. Это позволяет структурировать управление по фрагментам для эффективного принятия решений при определенных обстоятельствах. А также обеспечивает осознание взаимозависимости того или иного управленческого решения и способствует постоянному совершенствованию руководства компании.

В первую очередь, комплексный подход необходим для оперативного регулирования, способного объяснить причины проблемы и своевременно их разрешить.

Принцип 6: совершенствование как необходимость!

Успешная организация не может удерживать позиции или претендовать на лидерство в определенном сегменте рынка без сформулированной стратегии совершенствования. Причем это относится как к производимым товарам и услугам, так и к каждому задействованному лицу в компании.

1. Административному аппарату нужно совершенствоваться, чтобы находить новые, более эффективные способы управления.
2. Персоналу – накапливать опыт, повышать квалификацию.
3. Техническому отделу – практиковать инновации с целью вывести производственный процесс на качественно новый уровень.
4. Товары и услуги – отвечать переменным потребительского спроса.

Принцип 7: рационально обоснованное принятие решений!

Также как и основные принципы менеджмента, принятие управленческих решений должно быть рационально обоснованным и соответствовать ситуации.

Чтобы управленец смог применить данный принцип нужно:

1. Провести сбор и проверку информации, касающейся поставленной проблематике.
2. Проанализировать потенциальное влияние определенного метода управления.
3. Приятие решения на основе проведенного анализа с поправкой на опыт.

Принцип 8: контроль!

Контроль в рамках менеджмента организации проводится в поточной и итоговой форме.

Мониторинг за реализацией проекта предоставляет возможность вносить корректировки в зависимости от влияния непредвиденных факторов, а также сроков выполнения поставленных целей.

Итоговый контроль предусмотрен для оценки проделанной работы в конкретный временной отрезок. Он позволяет сопоставить запланированные цели и задачи предприятия к непосредственным результатам. Которые, в свою очередь, будут учитываться при внесении изменений в стратегию развития организации.

Заключение

Основные принципы менеджмента в теоретической плоскости выступают универсальными правилами по управлению предприятием, предоставляя алгоритмы по разрешению запланированных и непредвиденных задач для руководителей низшего, среднего и высшего звена. А практическая составляющая принципов менеджмента заключается в рациональном принятии решений и обеспечении максимально эффективного производственного процесса.

Под влиянием неизвестных заранее возмущений фактическое поведение системы отклоняется от желаемого, задаваемого алгоритмом управления, и, чтобы приблизить фактическое поведение к требуемому, алгоритм управления следует увязать не только со свойствами системы и с алгоритмом функционирования, но и с фактическим функционированием системы.

В основе построения систем автоматического управления лежат некоторые общие фундаментальные принципы управления, определяющие, каким образом осуществляется увязка алгоритмов управления с заданным и фактическим функционированием, а иногда и с причинами, вызвавшими отклонение. В технике используются три фундаментальных принципа: разомкнутого управления, компенсации и обратной связи.

Принцип разомкнутого управления. Сущность принципа состоит в том, что алгоритм управления строится только на основе заданного алгоритма функционирования и не связан с другими факторами - возмущениями или выходными величинами процесса. Близость желаемого поведения системы к требуемому обеспечивается только «жесткостью» конструкции и надлежащим выбором законов, определяющих действия управляющего устройства. Общая функциональная схема системы, построенной на этом принципе, показана на рис. 1-1,а. Задание алгоритма управления может вырабатываться как специальным устройством - задатчиком программы так и заранее вкладываться в конструкцию управляющего устройства 2. В последнем случае отдельный блок 1 на схеме будет отсутствовать. В обоих

случаях схема имеет вид разомкнутой цепи, в которой основное воздействие передается от входов элементов к выходам, как показано стрелками. Это и дало основание названию принципа.

Несмотря на очевидные недостатки, связанные с отсутствием контроля за фактическим состоянием х объекта 3, принцип используется повсеместно. Элементы, входящие в состав системы, сами по себе действуют по разомкнутой цепи каждый и в любой системе можно выделить «скелетную» часть, которая, действуя, как разомкнутая, выполняет свою задачу более или менее грубо. Поэтому принцип кажется настолько тривиальным, что его даже не выделяют как фундаментальный.

По разомкнутому принципу построены, например, датчики программы, состоящие из устройства запуска программного элемента и самого программного элемента (устройство пуска и барабан музыкальной шкатулки, магнитофон, приводимый в движение двигателем, профилированный кулачковый механизм или реостат и др.). Сюда же относится ряд линейных и функциональных преобразователей, усилителей и т. п.

Принцип компенсации (управления по возмущению).

Если среди возмущений z имеется одно (или немного), оказывающее решающее по сравнению с остальными возмущениями влияние на отклонение, то иногда возможно для повышения точности выполнения алгоритма функционирования, измерив это возмущение, ввести по результатам измерения коррективы в алгоритм управления и компенсировать отклонение, вызванное данным возмущением.

Рассмотрим для простоты пример безынерционного объекта. Пусть характеристика объекта задана соотношением (1-2). В принципе можно подобрать управление так, чтобы отклонение отсутствовало:

Например, для линейной характеристики

выбрав получим

Примерами систем компенсации могут служить биметаллическая система стержней с разными коэффициентами теплового расширения, обеспечивающая постоянство длины маятника при колебаниях температуры, схема компенсации момента на валу паровой машины, предложенная Понселе [оказавшаяся неработоспособной, так как машина была лишена самовыравнивания и не имела статической характеристики вида (1-2)]. Функциональная схема системы компенсации показана на рис. 1-1,6. Действующее на объект 3 возмущение z измеряется компенсационным устройством 4, на выходе которого вырабатывается управляющее воздействие.

Примером может служить компаундирование генератора постоянного тока, обеспечивающее неизменность напряжения при изменениях тока нагрузки. Если электродвижущая сила генератора линейно зависит от намагничивающей силы (ампер-витков) обмотки возбуждения, а уменьшение напряжения обусловлено только активным сопротивлением цепи якоря, т. е. пропорционально току нагрузки, то для постоянства заданного напряжения надо изменять намагничивающую силу в функции тока нагрузки так, чтобы было Такое изменение осуществляют с помощью дополнительной обмотки возбуждения - компаундной обмотки, по которой проходит ток равный или пропорциональный току якоря Принцип компаундирования широко применялся инженерами-электриками в последней четверти прошлого века в управлении генераторами и двигателями постоянного тока, хотя они при этом и не подозревали, что используют принцип компенсации Понселе, отвергнутый теорией регулирования тех времен.

Следует отметить, что при управлении по возмущению компенсируется влияние только того возмущения, которое измеряется. Остальные (неизмеряемые) возмущения приводят к нескомпенсированным отклонениям, вследствие чего компенсация не приводит к полному устранению ошибки. Более эффективным часто оказывается комбинированное использование принципов компенсации и обратной связи (последний принцип рассмотрен далее). Такие комбинированные системы используются при регулировании мощных синхронных генераторов на электростанциях (так называемое компаундирование с коррекцией) и в других схемах.

Принцип обратной связи. Регулирование по отклонению.

Систему можно построить и так, чтобы точность выполнения алгоритма функционирования обеспечивалась и без измерения

возмущений. На рис. 1-1, в показана схема, в которой коррективы в процесс управления вносятся по фактическому значению выходных величин системы. Для этой цели вводится дополнительная связь 4, в которую могут входить элементы для измерения х и для выработки воздействий на управляющее устройство. Схема имеет вид замкнутой цепи, что дало основание назвать осуществляемый в ней принцип принципом управления по замкнутому контуру. Так как направление передачи воздействий в дополнительной связи обратно направлению передачи основного воздействия на объект, введенная дополнительная связь называется обратной связью,

Схема рис. 1-1, в изображает наиболее общий вид замкнутых систем, не только систем управления. По такой схеме строятся, например, многие преобразовательные и счетно-решающие элементы. В управлении же преимущественно распространен частный вид замкнутых систем, в которых алгоритм управления осуществляется не непосредственно по значениям координат х, а по их отклонениям от значений, определяемым алгоритмом функционирования

Схема, реализующая эту разновидность управления с обратной связью, показана на рис. 1-1, г. В ней имеются элемент 1, задающий алгоритм функционирования, и элемент сравнения - сумматор 2, осуществляющий вычитание х из , т. е. вырабатывающий величину называемую отклонением или ошибкой управления.

Управляющее воздействие вырабатывается часто в функции не только но также его производных и (или) интегралов по времени:

Функция как правило, должна быть неубывающей функцией своих аргументов и одного знака с ними.

Управление в функции отклонения называется регулированием. Управляющее устройство в этом случае называется автоматическим регулятором. Образованная объектом О и регулятором Р замкнутая система называется системой автоматического регулирования (САР). Регулятор, вырабатывающий управляющее (регулирующее) воздействие в соответствии с алгоритмом (1-3), образует по отношению к выходу объекта отрицательную обратную связь, поскольку знак как следует из (1-2), обратен знаку х. Физически это означает, что регулятор вырабатывает в системе изменение х, направленное навстречу начальному отклонению, вызвавшему работу регулятора, т. е. стремится компенсировать возникшее отклонение. Обратная связь, образуемая

регулятором, называется главной обратной связью (если, кроме нее, есть другие обратные связи в самом регуляторе или объекте).

Сумматор на рис. 1-1, г изображен кружком, разделенным на сектора. Слагаемые обозначены подходящими к сумматору стрелками, сумма - отходящей стрелкой. Вычитаемые обозначаются или знаком минус у вершины, или зачернением сектора, к которому они подходят.

На рис. 1-2 приведена схема автоматического регулирования напряжения генератора постоянного тока Г. С делителя напряжения снимается напряжение пропорциональное регулируемому Оно сравнивается с напряжением эталонного источника питания. Разность усиленная усилителем У, подводится далее к якорю двигателя постоянного тока приводящего в движение ползунок реостата возбуждения в цепи обмотки возбуждения При увеличении сверх заданного двигатель переместит ползунок реостата так, чтобы сопротивление реостата увеличилось и, следовательно, регулируемое напряжение уменьшилось.

В данной схеме мощности сигнала недостаточно для непосредственного управления током возбуждения, поэтому и использован усилитель У. Такие схемы, включающие в цепь сигнала усилители, управляющие посторонними источниками энергии, называются системами непрямого регулирования. Соответственно схемы без промежуточных усилителей, в которых подводится к регулирующему органу непосредственно (или через редуктор или трансформатор), называются системами прямого регулирования.

Ранее упоминалось о комбинированном управлении, сочетающем принципы компенсации и обратной связи. Интересной разновидностью комбинированного управления является принцип инвариантности, предложенный в 1938 г. Г. В. Щипановым.

Управляющее и возмущающее воздействия изменяют ряд показателей в объекте, среди которых могут быть и нерегулируемые. Назовем все эти изменяемые величины, зависящие от воздействия координатами. Щипанов предложил формировать управляющее воздействие в функции координат системы так, чтобы при этом отклонение регулируемой координаты оставалось равным нулю независимо от возмущающего воздействия z, т. е. чтобы влияние z полностью компенсировалось. Построенный таким образом регулятор Г. В. Щипанов назвал идеальным. Он получил также математические выражения условий компенсации.

Система управления состоит из двух основных частей: объекта управления (ОУ) и устройства управления (УУ), которое называют также регулятором (Р). Регулятор на основании одного или нескольких задающих воздействий, определяющих закон (алгоритм) управления, вырабатывает управляющее воздействие U(t) на ОУ и поддерживает на заданном уровне или изменяет по определенному закону состояние Y(t), которое может отображаться на его выходе соответствующим сигналом y(t). Перед регулятором ставится задача обеспечения заданного качества работы системы во всех практически важных режимах, в том числе при воздействии на объект внешних возмущающих воздействий и дестабилизирующих факторов X(t) . Регулятор создаётся разработчиком системы, исходя из знаний о свойствах объекта управления и требуемых задачах системы.

Внешние связи объекта управления показаны на рис. 2.1.1, где Х – канал воздействия среды на объект и управляющее устройство, Y – канал воздействия объекта на среду или информационный канал состояния объекта, U – канал воздействия управления на объект, G – задающее устройство (программатор) изменения управляющего воздействия.

Основной задачей управления является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин процессов, протекающих в ОУ. Эти величины называются управляемыми (температура, давление, уровень жидкости, направление перемещения инструмента, и т.п.).

В составе объекта управления всегда содержится управляющий орган (УО) объекта, с помощью которого можно изменять параметры состояния ОУ (реостат, вентиль, заслонка и т.п.). Физическую величину U(t) на входе управляющего органа называют входной величиной ОУ или управляющим воздействием.

В состав ОУ обычно входит также чувствительный элемент (ЧЭ), который преобразует управляемую величину в пропорциональную ей величину, удобную для информации и использования в системе управления. Физическую величину y(t) 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, датчики давления, положения и т.п.

Управляющее воздействие U(t) формируется устройством управления (УУ) и прикладывается к управляющему органу объекта с целью поддержания требуемых значений управляемой величины. Оно создается исполнительным элементом УУ, в качестве которого могут использоваться электрические или поршневые двигатели, мембраны, электромагниты и т.п.

В составе системы управления, как правило, имеется также задающее устройство (ЗУ). Оно задает программу изменения управляющего воздействия, то есть формирует задающий сигнал u(t). ЗУ может быть выполнено в виде отдельного устройства с формированием воздействия (сигнала) G(t) на вход УУ, может быть встроенным в УУ или вообще отсутствовать. В качестве ЗУ может выступать кулачковый механизм, магнитофонная лента, маятник в часах, и т.п.

Величина X(t), воздействующая на ОУ и (при необходимости) на УУ, называется возмущением. Она отражает влияние на выходную величину y(t) изменений окружающей среды, нагрузки и т.п.

В общем случае все связи в системе управления могут быть многоканальными (многомерными) любой физической природы (электрические, магнитные, механические, оптические и пр.).

Принципы управления. Различают три фундаментальных принципа управления состоянием ОУ: принцип разомкнутого управления, принцип компенсации, принцип обратной связи.

Принцип разомкнутого управления состоит в том, что программа управления жестко задана в ЗУ или внешним воздействием G(t), и управление не учитывает влияние возмущений на параметры процесса. Примеры систем - часы, магнитофон, и т.п.

Принцип компенсации применяется для нейтрализации известных возмущающих воздействий, если они могут искажать состояние объекта управления до недопустимых пределов. При априорно известной связи состояния объекта с возмущающим воздействием значение сигнала u(t) корректируются обратно пропорционально возмущающему воздействию x(t). Примеры систем компенсации: биметаллический маятник в часах, компенсационная обмотка машины постоянного тока и т.п. Достоинство принципа компенсации - быстрота реакции на возмущения. Недостаток - невозможность учета подобным образом всех возможных возмущений.

Принцип обратной связи получил наибольшее распространение в технических системах управления, при этом управляющее воздействие корректируется в зависимости от выходной величины y(t). Если значение y(t) отклоняется от требуемого, то происходит корректировка сигнала u(t) с целью уменьшения данного отклонения. Связь выхода ОУ с входом управляющего устройства, выполняющего коррекцию сигнала u(t), называется главной обратной связью (ОС).

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.

Виды систем управления. В зависимости от принципа и закона функционирования управляющего устройства различают основные виды систем: системы стабилизации, программные, следящие и самонастраивающиеся системы, среди которых можно выделить экстремальные, оптимальные и адаптивные системы.

Системы стабилизации обеспечивают неизменное значение управляемой величины при всех видах возмущений, т.е. y(t) = const. В устройстве управления формируется эталонный сигнал, с которым сравнивается выходная величина. УУ, как правило, допускает настройку эталонного сигнала, что позволяет менять по желанию значение выходной величины.

Программные системы обеспечивают изменение управляемой величины в соответствии с программой, задаваемой на входе УУ или формируемой ЗУ. К этому виду систем можно отнести магнитофоны, проигрыватели, станки с ЧПУ, и т.п. Различают системы с временной программой, обеспечивающие y = f(t), и системы с пространственной программой, в которых y = f(x), применяемые там, где на выходе систем важно получить требуемую траекторию в пространстве, например, в автомате сверления отверстий в печатных платах.

Следящие системы отличаются от программных лишь тем, что программа y = f(t) или y = f(x) заранее неизвестна. В качестве УУ выступает устройство, следящее за изменением какого-либо внешнего параметра. Эти изменения и будут определять изменения выходной величины y(t).

Все три рассмотренных вида систем могут быть построены по любому из трех принципов управления (разомкнутого управления, компенсации, обратной связи). Для них характерно требование совпадения выходной величины (состояния системы) с некоторым предписанным значением, которое в любой момент времени определено однозначно.

Самонастраивающиеся системы отличаются активным УУ, определяющим такое значение управляемой величины, которое в каком-то смысле является оптимальным.

Так, в экстремальных системах требуется, чтобы выходная величина всегда принимала экстремальное значение из всех возможных, которое заранее не определено и может изменяться. Для его поиска система выполняет небольшие пробные движения и анализирует реакцию выходной величины на эти пробы, после чего вырабатывается управляющее воздействие, приближающее выходную величину к экстремальному значению. Процесс идет непрерывно и выполняется только с использованием 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 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 систем управления с целью приспособления к изменяющимся внешним условиям. В соответствии с этим различают самонастраивающиеся и самоорганизующиеся адаптивные системы.