Модели систем автоматического управления - раздел Философия, МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ Система Автоматического Управления Стремится Сохранить В Допустимых Пр...
Система автоматического управления стремится сохранить в допустимых пределах отклонения (рассогласования) ошибки между требуемыми и действительными значениями управляемых переменных при помощи их сравнения на основе принципа обратной связи и использования получающихся при этом сигналов для управления.
При автоматическом управлении качество процесса управления обеспечивает регулятор: обеспечивает поступление управляющих сигналов в зависимости от возмущающих воздействий, заданную точность работы в установившемся режиме, заданные динамические свойства системы (уменьшение ошибки, демпфирование колебаний).
Дадим основные определения системы автоматического управления на примере регулирования температуры в электропечи для закалки металла.
При автоматическом управлении воздействие на управляемый орган осуществляет специальное управляющее устройство.
Для построения автоматического управления технологическим процессом необходимо реализовать (вместо человека) управляющее устройство (двигатель), которое могло бы изменять состояние органа управления (передвигать рукоятку реостата) в зависимости от сигнала измерительного элемента (термопары).
Поскольку на выходе измерительного элемента имеет место сигнал небольшой мощности (ее хватает для изменения положения стрелки прибора, но недостаточно для питания двигателя), необходимо ввести промежуточное звено – усилитель мощности.
Ниже представлена функциональная схема автоматического управления процессом закаливания в электропечи.
Сигнал у (t) (заданная температура) – управляющая переменная, сигнал х (t) (реальная температура) – управляемая переменная.
Система автоматического управления представляет собой совокупность объекта управления (электропечь) и управляющего устройства (усилитель, реостат, измерительное устройство, сравнивающее устройство), обеспечивающего процесс управления.
Управляющее устройство осуществляет целенаправленное воздействие на управляемую переменную (температуру). Для улучшения качества управления (уменьшения колебания процесса) в систему вводят дополнительный элемент – регулятор. При проектировании систем автоматического управления параметры усилителя мощности, привода, управляющего органа (реостата) остаются неизменными, изменяется только регулятор. На практике неизменную часть называют объектом управления (регулирования), а к управляющему устройству относят только изменяемую часть – регулятор. Именно его параметры изменяются в процессе проектирования САУ.
Система, у которой сигнал у (t) – известная функция (детерминированный сигнал) на всем промежутке управления, называется системой программного управления.
Система, у которой задающее воздействие у (t) = const называется системой стабилизации.
Система, у которой задающее воздействие у (t) – случайная функция, называется следящей системой.
Задающее устройство (задает нужное изменение параметров) преобразует воздействие в сигнал у (t), а сравнивающее устройство путем сравнения сигнала у (t) и регулируемой величины х (t) (предполагается, что измерительный элемент и элементы обратной связи не искажают сигнал х (t)) вырабатывает сигнал ошибки ε (t). Иногда сравнивающее устройство называют датчиком ошибки, отклонения или рассогласования.
Регулятор служит для обеспечения заданных динамических свойств замкнутой системы. С его помощью обеспечивается высокая точность работы в установившемся режиме, демпфируются колебания для сильно колебательных объектов (например, летательных аппаратов). Введение в систему регулятора позволяет устранить незатухающие или возрастающие колебания управляемой величины. Иногда регуляторы вырабатывают сигналы (команды) в зависимости от возмущающих воздействий, что существенно повышает точность систем.
В хорошо спроектированной системе ошибка ε (t) должна быть мала. Вместе с тем на объект должны поступать достаточно мощные воздействия. Мощности же сигнала ε (t) совершенно недостаточно для питания даже небольшого двигателя. В связи с этим важным элементом САУ является усилительное устройство, предназначенное для усиления мощности сигнала ошибки ε (t). Усилитель управляет энергией, поступающей от постороннего источника (электронные, гидравлические, пневматические усилители).
Исполнительные устройства предназначены для воздействия на управляющий орган (электрические, пневматические, гидравлические).
Чувствительные или измерительные элементы (датчики) преобразуют управляемые переменные в сигналы управления (например, преобразования вида "угол – напряжение"). Объектом управления считается вся неизменная часть системы (все элементы, кроме регулятора) – электрическая печь, ядерный реактор, самолет, ракета и т.д. Управляемые переменные – напряжение, число оборотов, угловое положение, курс, мощность и т.д.
Одномерные системы могут быть системами программного управления, системами стабилизации и следящими системами.
Кроме того, встречаются системы: системы с поиском экстремума показателя качества, системы оптимального управления, адаптивные системы.
Первый этап исследования или проектирования систем автоматического управления, как и любых других систем, - неформальный этап – построение описательной, содержательной модели.
Математическая модель САУ (операторное уравнение) устанавливает количественную связь между входом у (t) и выходом х (t) системы.
В большинстве случаев операторное уравнение системы принадлежит к классу дифференциальных уравнений или эквивалентных им интегральных уравнений.
Для получения дифференциального уравнения системы в целом обычно составляют описания отдельных ее элементов, т.е. составляют дифференциальные уравнения для каждого входящего в систему элемента (например, для САУ электропечи составляются дифференциальные уравнения усилителя, привода, реостата, электропечи, термопары и элемента сравнения).
Задачей системы автоматического управления является изменение переменной у (t) согласно заданному закону с определенной точностью (с определенной ошибкой).
При проектировании систем автоматического управления необходимо выбрать такие параметры системы, которые обеспечили бы требуемую точность управления. Кроме этого, параметры системы должны обеспечить требования устойчивости и регулярности поведения системы в переходном процессе.
Системы автоматического управления вследствие самого принципа их действия, благодаря которому часть энергии с их выхода может влиять на вход, являются системами, склонными к колебаниям.
При появлении какого либо возмущения или изменении управляющего воздействия система приходит в движение.
Устойчивая система при установившихся значениях управляющих и возмущающих воздействий, спустя некоторое время вновь приходит к установившемуся состоянию равновесия, а неустойчивая система, придя в движение, не приходит к установившемуся состоянию равновесия, а отклонение ее от состояния равновесия будет либо все время увеличиваться, либо непрерывно изменяться в форме постоянных незатухающих колебаний.
Поэтому для удовлетворительной работы системы автоматического управления необходимо, чтобы она была устойчива. Требование устойчивости должно выполняться с некоторым запасом, предусматривающим возможные изменения параметров системы во время ее работы.
Если система устойчива, то представляет интерес ее поведение в динамике: максимальное отклонение регулируемой величины у (t) в переходном процессе, время переходного процесса.
По виду дифференциальных уравнений, приближенно описывающих процессы в системах автоматического управления можно сделать выводы о свойствах систем.
В случае динамической системы (модель системы описывается дифференциальными или разностными уравнениями) возникает вопрос отыскания программного управляемого движения. Эти задачи решаются методами теории управления. Основные понятия этой теории – обратная связь, программное движение, механизм управления, оптимальное управление. Цели управления определяют свойства и особенности системы управления, ее структуру и функции.
Все темы данного раздела:
Определение понятия системы
Определение понятия "модель системы" предполагает, прежде всего, определение понятия "система".
Определение понятия системы – это тоже модель (лингвистическая
Внешняя среда
Внешняя среда -набор существующих в пространстве и во времени факторов, которые оказывают действие на систему и которые испытывают влияние со стороны системы.
Объекты,
Функции системы
Функции системы –действия компонентов системы (преобразования входов в выходы), необходимые для выполнения системой своих задач, обусловленных целью системы (интегративным свой
Системный подход
В основе системного подхода лежит стремление изучить объект (систему, явление, процесс) как нечто целостное и организованное, во всей полноте и многообразии связей – ориентирует на рассмотре
Развитие искусственной системы и ее жизненный цикл
В системе как элементе системы более высокого уровня могут накапливаться противоречия (проблемы), для разрешения которых система должна иметь новые функциональные свойства –
Целевой характер моделирования
Система может иметь практически необозримое количество сущностей (свойств), создание модели всей системы нереально – не существует модели «вообще».
Таким образом, моделирование имеет це
Процесс моделирования
Как разделить модель на подмодели, как построить иерархию моделей для исследования элементов (декомпозиция) и как их потом объединить для исследования системы в целом, чтобы объяснить целое через ч
Цели математического моделирования
Создание модели всей системы нереально – не существует модели «вообще».
Из этого следует множественность моделей одного объекта: для каждой цели требуется своя модель одно
Анализ чувствительности модели
При построении модели параметров и предположения могут быть приняты с некоторой степенью неопределенности, кроме того, параметры могут изменяться в зависимости от внешних условий и во времени. Чувс
Описание внешних воздействий
Внешние воздействия - совокупность факторов, воздействующих на систему и оказывающих влияние на эффективность ее функционирования.
Модель внешних воздействий должна обладать следующими осн
Декомпозиция системы
Система представляется набором моделей, отображающих ее поведение на различных уровнях декомпозиции (стратах). Каждый уровень учитывает присущие ему свойства, переменные и зависимости.
Дек
Подготовка исходных данных для математической модели
Исходные данные для разработки математической модели содержат выявленные законы функционирования системы в виде операторов, параметры и переменные модели, условные обозначения, классификацию исходн
Модель состава и структуры системы
Модель состава
Модель состава – список элементов системы. Сложность построения модели состава состоит в ее неоднозначности. Это же относится и к границам
Виды структур
В основе исследования структуры лежит ее классификация. Принципы построения и вид модели структуры системы зависят от типа системы и целей исследований.
При моделировании систем вообще и,
Установление функциональных зависимостей
После перехода от описания моделируемой системы к ее модели, построенной по блочному принципу, необходимо построить математические модели процессов, происходящих в различных блоках.
Исходн
Функционально стоимостной анализ.
Под функционально стоимостным анализом понимают метод системного анализа функций объекта (технологического процесса, производства, системы управления), направленный на поиск технико-экономических р
Пути уменьшения неопределенностей
Неопределенность уменьшается при разработке и анализе альтернативных вариантов, дополнительном анализе неопределенных факторов (сбор и обработка недостающих исходных данных, выявление среди множест
Формализация системы в виде автомата
Технические устройства дискретного действия для переработки информации лежат в основе вычислительных машин, автоматических устройств для управления объектами в системах регулирования и управления и
Формализация системы в виде агрегата
При выборе той или иной схемы формализации системы всегда возникает противоречивая задача – получить как можно более простую модель и обеспечить требуемую точность. При таком подходе различные сист
Моделирование процесса функционирования агрегата
Процесс функционирования агрегата состоит из скачков состояния в моменты поступления входных сигналов и выдачи выходных сигналов и изменений состояния между этими моментами.
Цель моделиров
Моделирование агрегативных систем
Агрегативные системы (А-системы) - класс сложных систем, обладающий следующим свойством: существует такое (в общем случае неоднозначное) расчленение системы на элементы, при котором к
Модель сопряжения элементов
Математическая модель сложной системы помимо формального описания элементов обязательно включает формальные описания взаимодействия элементов – модель сопряжения.
В модели сопряжения эл
Законы Ньютона.
Рассмотрим систему, модель которой может быть представлена как материальная точка, система материальных точек (механическая система).
Материальная точка - тело, размеры и форма которого не
Закон сохранения импульса.
Количество движения (импульс) материальной точки Кi = mivi .Это векторная величина, его направление совпадает с направлением скорости. Количество движения (импульс) системы:
К =
Работа, энергия, мощность
Силы служат причиной либо ускорения тела (динамическое действие), либо изменения его формы (статическое действие).
Если сила перемещает тело на некоторое расстояние, то она совершает над т
Работа против силы тяжести.
Если тело движется в направлении действия силы тяжести, то над телом совершается работа A = G h или Aт = mg h.
Чтобы поднять тело (увеличить расстояние от ц
Работа, затрачиваемая на ускорение.
Если под действием постоянной силы Fуск тело равномерно ускоренно перемещается на расстояние s, то над ним совершается работа Aуск = Fуск s
Работа против сил трения.
Движущееся тело теряет энергию из-за наличия трения, которое действует на поверхности соприкосновения тел и и затрудняет их перемещение относительно друг друга.
Динамика поступательного движения.
Основной закон поступательного движения: производная по времени от количества движения К материальной точки или системы точек относительно неподвижной (инерциальной) системы
Тело, брошено под углом к горизонту.
Как и в случае горизонтально брошенного тела, тело движется, в результате комбинации двух движений: равномерного прямолинейного движения под углом к горизонту и свободного падения в вертикальном на
Движение тела переменной массы.
Дифференциальное уравнение поступательного движения твердого тела, масса которого зависит от времени, имеет вид
Модель колебательного процесса
Колебаниями или колебательным движением называется движение (изменение состояния), обладающее повторяемостью во времени - процесс изменения параметров системы с многократным чередованием их
Модель консервативной системы.
Рассеяние (диссипация) энергии происходит в связи с наличием того или иного вида трения (механическая энергия с течением времени уменьшается за счет преобразования в другие виды энергии, например,
Электрическая подсистема.
Электрическая модель является наиболее и универсальной для описания явлений и процессов различной природы.
Типовыми простейшими элементами электрической подсистемы являются резистор с элек
Модели элементов гидравлических систем
Технические системы, в которых происходит перемещение несжимаемой жидкости, принято называть гидравлическими. Зарубин стр. 110
Участок трубопровода.
По
Модели элементов пневматических систем
Под пневматическими понимают технические системы, в которых рабочей средой является воздух или газ. Рабочая среда, в отличие от газа является сжимаемой: ее плотность r существенно зависит от
Распределение транспортных единиц по линиям
Имеется n транспортных линий, по j–ой линии необходимо выполнить bj рейсов . В на
Выбор средств доставки грузов.
Имеется m грузообразующих пунктов с объемами грузов аi . Имеется n средств доставки грузов (вид
Экономическая интерпретация задач линейного программирования.
Предприятие располагает определенными, ограниченными производственными мощностями - активными средствами (станки, сырье, рабочая сила, энергия и т.д.). Для изготовления различных видов изделий испо
Перевозки взаимозаменяемых продуктов
Известны объемы и потребности продукции каждого вида. Если продукты, подлежащие перевозке, качественно совершенно различны (уголь, цемент, сахар), так что ни один из них не может быть использован в
Перевозка неоднородного продукта на разнородном транспорте.
Для обеспечения перевозок может быть использовано s автохозяйств, в каждом из которых r типов автомашин. Машины разных типов, обладая различными эксплуатационными характеристиками и р
Основные определения
Строгий подход к термину «управление» требует четкого ответа на вопрос, как и за счет чего может быть выполнена цель управления.
Основная особенность управления - целенаправленность
Формальная запись системы с управлением
Основная особенность управляемых систем – в системе существуют свободные функции, которыми может распорядиться субъект (устройство, исследователь, лицо, принимающее решение) в своих интересах.
Устойчивость движения систем
Система управления постоянно подвергается возмущениям, отклоняющим ее от заданного закона движения. Действие возмущения сопровождается восстанавливающим действием регулятора. В системе возни
Определение программного движения и управление движением
Потребности ракетной техники привели к совершенно новым задачам, поскольку кратковременное движение ракеты рассматривается как единый переходный процесс. Здесь возникла еще одна задача – опт
Модели автоматизированных систем управления
Всякая система управления с точки зрения ее функционирования решает три основные задачи: сбор и передача информации об управляемом объекте, переработка информации, выдача управляющих воздействий на
Формализация отклонения течения производственного процесса от нормального
Рассмотренные схемы формализации предполагали нормальное течение процесса. Нарушения нормального течения процесса (параметры процесса выходят за допустимые пределы) могут быть связаны с расстройств
Моделирование комплексного процесса обработки, сборки и управления при поточном производстве
Пусть процесс поточного производства штучных изделий складывается из операций обработки, сборки и управления.
Линия сборки (совокупность устройств, обеспечивающих сборку изделия) состоит и
Формирование структуры системы
Структура формируется на основании сравнительного анализа альтернативных вариантов системы, обеспечивающих решение проблемы с учетом внешней среды и неопределенностей будущего функционирования.
Выбор основных проектных параметров системы
Формирование технического облика системы предполагает выбор рациональных значений основных проектных параметров системы, исходя из ее максимальной эффективности в принятых условиях применения.
Современное состояние САПР
Современное состояние САПР уже позволяет решать замкнутые задачи – реализовать сквозной процесс, включающий несколько этапов: анализ требований к изделию, разработка трехмерной модели изделия (в ря
Направления разработки проектной составляющей САПР
Направления разработки проектной составляющей САПР должны соответствовать ключевым направлениям развития проектируемых технических систем: прежде всего разрабатываются те САПР, внедрение которых в
Хранилища данных и системы оперативной аналитической обработки данных
Рассмотренные способы и возможные архитектуры информационных систем, предназначены для оперативной обработки данных, т.е. для получения текущей информации, позволяющей решать повседневные проблемы
Предпроектные исследования
Проектирование системы начинается с предпроектных исследований, в результате которых определяются цели системы, объем работ, вырабатываются критерии успешности проекта, оцениваются риски. В результ
Постановка задачи
Стадия постановки задачи включает: проведение системно-аналитического обследования и выработка концепции системы, разработка технического задания на проект.
Системно-аналитическое обсле
Проектирование системы
На стадии проектирования на основе анализа предметной области и требований к системе, сформулированных в ТЗ, разрабатываются основные архитектурные решения.
Архитектура процессов –
Архитектура программного обеспечения
Система состоит из двух видов программного обеспечения – общего и специального.
Общее программное обеспечение:
- программное обеспечение сетевого доступа к приложениям и БД
Организационное обеспечение системы
Сложность проектирования организационного обеспечения лежит в социальной, а не в технической сфере – задача психологов и психоаналитиков. Внедрение новых технологий обеспечивает неограниченный прям
Реализация и внедрение системы
Разработчики производят итеративное построение реальной системы на основе полученных в предыдущей фазе моделей, а также требований нефункционального характера. Конечные пользователи на этой фазе оц
Оценка потенциальной емкости рынка и потенциального объема продаж
Потенциальная емкость рынка товаров и услуг для конкретной системы (проекта): максимальный объем рынка за определенный период, соответствующий техническим и эксплуатационным возможностям сис
Оценка конкурентоспособности
Оценку конкурентов рассматриваемой системы проводится в два этапа: выявление возможных конкурентов и сравнительный анализ конкурентов.
На первом этапе составляется общий список конкурентов
Метод определения чистой текущей стоимости.
Метод оценки приемлемости инвестиций на основе критерия NPV является базовым в современном инвестиционном анализе и широко применяется на практике.
Чистая текущая стоимость - NPV
Метод расчета рентабельности инвестиций
Рентабельность инвестиций - PI (profitability index) - это показатель, позволяющий определить, в какой мере возрастет стоимость фирмы (богатство инвестора) в расчете на 1 доллар (рубль, грив
Метод расчета внутренней нормы прибыли
Внутренняя норма прибыли (внутренний коэффициент окупаемости инвестиций, поверочный дисконт) - IRR (internal rate of return) - представляет собой уровень доходности средств, направленных на
Расчет периода окупаемости инвестиций
Период окупаемости инвестиций РР (payback period) - это срок, который необходим для возмещения суммы первоначальных инвестиций (рассчитанный без дисконтирования).
Если величины дене
Задачи управления проектами
Успешность деятельности предприятия зависит от непрерывной последовательности управленческих решений по инвестиции в проект и управление проектом. Эти решения базируются на анализе внешней среды кА
Новости и инфо для студентов