Исследование систем управления: учебное пособие
Шрифт:
Механизм, позволяющий сопоставить достигнутые системой управления результаты с целями и определить величину рассогласования, представляет собой контур обратной связи . В системе управления может быть несколько контуров обратной связи. Введение контуров обратной связи в систему управления и отдельные ее подсистемы повышает устойчивость системы управления, но увеличивает инвестиционные и текущие затраты на создание этих контуров. Обратите свое внимание еще раз на рисунки 1.1 и 1.2. Определите контур обратной связи и найдите узел, где возникает рассогласование, формирующее управляющее воздействие. Поскольку управление предполагает использование различных ресурсов (информационных, интеллектуальных, материальных и финансовых), интенсивность расходования которых во времени может быть различной, и приводит к различным результатам (разной степени достижения поставленных целей), то возникают стратегии управления . На практике выбор стратегии управления также в значительной степени зависит от структуры системы, т. е. состава и взаимосвязей между элементами и подсистемами, а также характеристик постоянно изменяющейся внешней среды.
Цели и задачи исследования систем управления
На практике всегда возникает
осуществляется проверка степени соответствия системы тем целям и задачам, которые перед ней стоят;
создается массив необходимых исходных данных, которые являются основой для совершенствования системы управления и в случае необходимости проектирования новой системы, наиболее полно соответствующей изменившимся целям и задачам управления. Вновь спроектированная система должна в наибольшей степени удовлетворять критериям эффективности и результативности ее функционирования.
Таким образом, целями исследования системы управления являются:
изучение структуры системы (т. е. состава системы и взаимосвязей между ее компонентами), а также оценка степени соответствия существующей структуры целям и задачам управления;
выявление выполняемых системой управления функций и оценка качества выполнения этих функций по некоторой совокупности критериев с учетом существующих ограничений.
Исследование систем управления базируется на наблюдениях, анализе и моделировании
Именно они являются средствами познания и прогнозирования процессов и явлений в изучаемых и проектируемых системах. Результаты исследования выступают не только как информация, полученная в процессе наблюдения, анализа и моделирования, но и как основа синтеза более совершенной (по заранее выбранной совокупности критериев) системы управления. Задача синтеза заключается в создании такой структуры системы управления с учетом условий ее использования, выполняемых функций и всех ограничений (по стоимости, быстродействию, надежности и т. д.), в которой (т. е. структуре) компоненты вектора качества (вектора эффективности) в совокупности имеют наилучшие значения по заранее выбранным критериям. Следовательно, на этапе синтеза системы управления в первую очередь речь идет о создании оптимальной структуры системы управления по отношению к реализуемым процессам и компенсации негативных воздействий внешней среды.
При этом следует учитывать, что целевые функции эффективности, принятые при проектировании системы управления, могут существенным образом отличаться от целевых функций эффективности функционирования системы управления. Например, на стадии проектирования в качестве целевой функции эффективности может выступать минимум затрат на проектирование системы управления, а на стадии функционирования – максимум надежности системы управления и т. д.
Тема 2. Типы систем управления и воздействия в системе управления
Типы систем управления
Рассматривая типы систем управления, необходимо ввести ряд классификационных признаков. В таблице 2.1 представлена классификация систем управления, построенная на основе различных классификационных признаков.
Таблица 2.1. Классификация систем управления
Рассмотрим более подробно некоторые типы систем управления. По возможности дополнения системы управления новыми элементами и подсистемами выделяются открытые и закрытые системы управления. Открытая система может быть дополнена новыми элементами и подсистемами, т. е. это система с проницаемыми границами, имеющая входы и выходы для обмена с внешней средой ресурсами, в том числе информацией, которая является разновидностью интеллектуальных ресурсов предприятия. Закрытая система управления лишена возможности дополняться новыми элементами и подсистемами, т. е. это система с непроницаемыми границами, не имеющая входов и выходов для обмена с внешней средой ресурсами, включая информацию.
По типам связей между элементами выделяют жесткие и гибкие системы управления. В жестких системах управления связи между элементами и подсистемами заданы на этапе проектирования системы управления и в процессе ее функционирования изменению не подлежат. На уровне предприятия примером системы управления с жесткими взаимосвязями между элементами может служить непереналаживаемая автоматическая линия. Гибкие системы управления допускают изменение взаимосвязей между элементами в процессе функционирования системы. На уровне предприятия примером таких систем являются гибкие производственные системы, которые с минимальными затратами времени могут быть переналажены на выпуск продукции другой номенклатуры в пределах технологических возможностей системы.
По наличию вертикальных взаимосвязей системы управления разделяются на неиерархические (одноуровневые, плоские) и иерархические (многоуровневые). Для всех систем управления, построенных по иерархическому принципу, характерно такое свойство, как живучесть (устойчивость). Под живучестью (устойчивостью) системы управления понимается свойство этой системы противостоять возмущающим воздействиям внешней среды и выполнять свои функции в условиях такого воздействия. Благодаря свойству живучести (устойчивости) системы управления отказ какого-либо элемента (а иногда и подсистемы) не приводит к отказу всей системы управления, а только к некоторому снижению эффективности и результативности ее функционирования. Например, применительно к производственной системе, входящей в систему управления предприятием, в условиях многопоточной обработки выход из строя одного или нескольких агрегатов (станков) не приводит к остановке всей системы. Однако в этой ситуации снижается производительность и изменяется алгоритм управления подачей сырья и материалов, транспортировкой незавершенного
По степени устойчивости отношений между элементами системы управления делятся на детерминированные, вероятностные (стохастические), хаотические и комбинированные. В детерминированных системах управления отношения между элементами и подсистемами носят устойчивый характер. Характер изменения этих взаимосвязей может быть определен с вероятностью, равной 100 %. В вероятностных (стохастических) системах управления отношения между элементами и подсистемами носят случайный (вероятностный) характер. Характер изменения этих взаимосвязей во времени точно предсказать невозможно, он может быть определен с вероятностью менее чем 100 %. В хаотических системах управления отношения между элементами и подсистемами носят непредсказуемый характер. Вероятность возникновения этих отношений вообще установить нельзя. В комбинированных системах управления отношения между элементами в различных подсистемах, а также между подсистемами в рамках всей системы управления носят различный характер – детерминированный, вероятностный (стохастический) или хаотический.
По степени сложности выделяют простые и сложные системы. Сложным системам присущи такие свойства, как уникальность и слабопредсказуемость. Простые системы управления характеризуются другими свойствами. Например, на уровне предприятия как системы управления отдельные его подсистемы характеризуются циклическим или регулярным характером функционирования.
При исследовании систем управления широкое распространение получил кибернетический подход к описанию систем управления. В соответствии с этим подходом появляется возможность с формальной точки зрения описать процесс функционирования систем различного класса (технических, экономических и т. д.). Выполнив такое описание, можно выявить общие закономерности построения и функционирования различных систем управления.
Если учесть, что устойчивость любой системы управления во многом обеспечивается за счет введение в систему механизма отрицательной обратной связи и организации процесса управления системой по отклонениям, то с точки зрения кибернетического подхода модель системы управления будет выглядеть следующим образом (рис. 2.1).Обозначения:
Y(t) – выходной сигнал объекта управления (ОУ), реакция на воздействие сигнала Х(t);
Х(t) – возмущающее воздействие внешней среды на объект управления;
∆Х(t) – управляющее воздействие, сформированное субъектом управления;
E(t) = Х(t) – ∆Х(t) – рассогласование (отклонение);
WОУ(t) – передаточная функция, характеризующая связь входного и выходного сигнала объекта управления;
WСУ(t) – передаточная функция, характеризующая связь входного и выходного сигнала субъекта управления.На рисунке 2.1 приведена упрощенная модель замкнутой системы управления с обратной связью, т. е. входным сигналом для субъекта управления является Y(t) – выходной сигнал объекта управления. Если сигнал Y(t) не соответствует целям управления, то возникает рассогласование и субъект управления воздействует на объект управления посредством сформированного сигнала ∆Х(t) . Воздействие сигнала E(t) = Х(t) – ∆Х(t) на объект управления должно обеспечить качество функционирования замкнутой кибернетической системы управления, а рассогласование привести к нулевому значению. Рассмотрим динамическую связь сигнала Х(t) по отношению к выходному сигналу системы Y(t) . С целью описания динамического состояния используем передаточные функции объекта управления и субъекта управления (рис. 2.1). Определим соотношение для значения сигнала E(t) , который имеет следующий вид:
так как
и
то
С другой стороны,
тогда
Из полученного выражения можем определить математическую зависимость, описывающую динамику системы управления между величинами выходного сигнала объекта управления Y (t) и возмущающего воздействия внешней среды Х (t) .
Таким образом, если нам удастся дать математическое описание функций, которые характеризуют объект управления и обратную связь в системе управления, то мы можем исследовать поведение этой кибернетической системы в зависимости от изменения входного сигнала X(t) и факторов, характеризующих параметры системы.
Воздействие в системе управления
Сигнал, обуславливающий изменение состояния системы и ее параметров, представляет собой воздействие в системе управления . Характер и направленность этого сигнала могут быть различными. Поэтому при исследовании систем управления различают:
• управляющее воздействие;
• компенсирующее воздействие;
• возмущающее воздействие.