5.2. Схема системы управления

Совокупность объекта управления (ОУ), управляющего органа (УО) и исполнительного органа (ИО) образует систему управления, в которой выделяются две подсистемы: управляющая подсистема (УО и ИО) и управляемая подсистема (ОУ). На рис. 5.1 представлена укрупнённая структурная схема системы управления, на которой выделены входящие в неё подсистемы.

В процессе функционирования этой системы управляющий орган (УО) получает информацию Iос о текущем состоянии объекта управления (ОУ) и информацию Iвх о том, в каком состоянии должен находится объект управления. Отклонения объекта управления от заданного состояния происходит под воздействием внешних возмущений (V). Результатом сравнения информации Iвx и Iос в управляющем органе является возникновение управляющей информации Iу, которая воздействует на исполнительный орган (ИО). На основе информации Iу исполнительный орган вырабатывает управляющее воздействие (U), которое ликвидирует отклонение в объекте управления.

Наиболее сложным звеном в системе управления является управляющий орган. Здесь степень сложности определяется количеством выполняемых функций, т.е. управляющий орган должен уметь производить наибольшее разнообразие действий. Это естественно, т.к. на любое состояние объекта управления управляющий орган должен отреагировать соответствующим образом, своевременно обработав поступившую в него информацию и выработав управляющую информацию.

Как видно из структурной схемы управления для ее функционирования необходима информация. На приведённой схеме изображены три её потока: Iвx, Ioc и Iy. Информация Iвx сообщает управляющему органу о множестве возможных состояний объекта управления и управляющего органа, а также о том, в каком из состояний должен находиться объект управления при заданных внешних условиях. Информация Ioc - это информация обратной связи. Понятие обратной связи является фундаментальным в теории управления. В общем случае под обратной связью понимают передачу воздействия с выхода какой-либо системы обратно на её вход. В системах управления обратная связь является информационной, и с её помощью в управляющую подсистему поступает информация о текущем состоянии управляемой подсистемы. Третий информационный поток Iy - это информация, возникшая в результате обработки в управляющем органе информации Iex и Ioc и управляющая работой исполнительного органа (ИО).

Очень важной компонентой входной информации Iвx является информация о цели управления, ибо управление бессмысленно, если не направленно на достижение определённой цели. Если управление наилучшим образом соответствует поставленной цели, то такое управление называется оптимальным. Критерием оптимальности управления является некоторая, количественно измеряемая величина, отражающая цель управления. Математическая запись критерия оптимальности носит название целевой функции. При оптимальном управлении значение целевой функции достигает экстремума (максимума или минимума в зависимости от критерия оптимальности).

Ярко выраженный целевой информационный характер управления подтверждается кибернетическим его определением; управление есть процесс целенаправленной переработки информации.

В зависимости от того, в какой системе (простой, сложной, большой) производится управление, различают системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные системы управления (АСУ).

Автоматическое управление осуществляется, как правило, в простых системах, в которых заранее известны описание объекта управления и алгоритм управления им. По принципу управления системы автоматического управления могут быть разомкнутыми и замкнутыми. В разомкнутых системах измеряется возмущение, отклоняющее объект от заданного состояния, и вырабатывается воздействие, компенсирующее возникшее возмущение. Такая система не способна длительное время управлять неустойчивым объектом. В замкнутых системах реализуется идея обратной связи, благодаря которой информация об отклонении управляемого объекта от заданного состояния позволяет выработать воздействие, возвращающее объект в это состояние.

Благодаря тому, что поведение объекта и алгоритм управления строго заданы, системы автоматического управления могут работать автономно, без участия человека (хотя, конечно, их создание и наблюдение за их функционированием невозможно без человека). На рис. 5.2. приведена упрощенная структурная схема замкнутой системы автоматического управления.

Рис. 5.2. Упрощённая структурная схема замкнутой САУ

Как правило, САУ используются в технических системах, и в качестве управляющего органа (УО) используется компьютер, который с помощью программы (для него это Iвx), выдаёт результат обработки информации, обычно физический сигнал. Это - сигнал управления (Iy), который через преобразователь (Пр1) приводит в действие исполнительный орган (ИО), возвращающий объект управления (ОУ) в заданное программой компьютера состояние. Состояние ОУ, меняющееся под воздействием внешних возмущений V, определяет значение сигнала обратной связи (/ос), которое через преобразователь (Пр2) поступает в компьютер (УО). Преобразователи необходимы для изменения уровней или природы проходящих через них сигналов, т.к. элементы системы могут быть различны по своей физической сути.

С ростом и усложнением производства объекты управления приобретают характер сложных и больших систем, имеющих большое число элементов и подсистем, связи между которыми не всегда ясны, а критерии функционирования не обладают достаточной чёткостью. В этих условиях использовать результаты теории автоматического управления в полной мере не удаётся, и в контур управления, помимо человека–оператора ЭВМ, действующего по заданным алгоритмам, включается лицо, принимающее решения (ЛПР). Наличие ЛПР в контуре управления является отличительной чертой автоматизированных систем управления (рис. 5.3). Автоматизированное управление применяется в том случае, если нет возможности реализовывать автоматическое управление.

Как видно из рис. 5.3., ЛПР, получив информацию обратной связи Iос, осведомляющую его о состоянии объекта управления (ОУ), обращается к ЭВМ (поток Iвx), имеющей определённое программное обеспечение (ПО) и вырабатывающей рекомендации к принятию решения (поток Iвых). На основе анализа предложенных ЭВМ альтернатив ЛИР принимает решение, которое в виде управляющей информации (Iy) поступает в исполнительный орган (ИО), переводя его в необходимое состояние. Например, министр (это - ЛПР), получив информацию о состоянии отрасли (это - ОУ), после обработки всей нужной информации на ЭВМ и просчета наборов вариантов поведения в сложившейся ситуации, принимает решение, которое реализуется аппаратом министерства (это - ИО) в управляемой отрасли производства.

Рис. 5.3. Структурная схема АСУ