2.2. Информация и принципы управления.
Управление и информация – понятия неразрывно связанные между собой.
Управление невозможно без достаточной информации: о цели управления;
возмущениях среды; состоянии объекта управления; его характеристиках.
В зависимости от характера и полноты доступной информации реализуют
различные принципы управления. Рассмотрим информационный принцип-
самый распространенный. Разомкнутые системы управления.
U
* Y*
у = у* = const
Рис.2.4. Разомкнутая система управления
Пусть имеется полная априорная информация о цели управления, известны характеристики объекта, а возмущающие воздействия отсутствуют. Цель уп-
равления задана в виде у=у*=const, т.е. необходимо поддержание режима, заданного технологом или специалистом по эксплуатации объекта, требуе-
мый постоянный уровень управляющего воздействия u* легко определяется
по статической характеристике объекта. Если этот уровень допустим, а ре-
жим объекта устойчив, то цель управления может быть достигнута в системе,
реализующей принцип разомкнутого управления (рис.2.4.).
Для многих производственных объектов оптимальному режиму, который должен поддерживаться системой управления, соответствуют некоторые пос- тоянные значения переменной выхода у=у* и уровня постоянного воздейст-
вия u=u*, обеспечивающие экстремум (максимум или минимум) определен-
ной целевой функции.
Целью управления может быть изменение управляемой переменной у по определенной программе, заданной как функция времени у(t), например, про-
грамма изменения температуры в печи и т.п.. Для вычисления оптимального
управляющего воздействия u*(t), необходимо знать динамические характери-
стики объекта управления. При этом не всегда можно найти допустимое уп-
равление, обеспечивающее точное следование заданной программе. Сущест-
вуют методы вычисления оптимального управления u(t), когда поведение объекта в принятом формате минимально отличаются от заданного.
Более общий случай задания цели управления – это требование оптимизиро-
вать некоторый функционал:
J(у, u) min (max) , (2 – 1)
u U
где U- множество допустимых управлений.
В результате решения задачи вариационного исчисления с учетом ограни-
чений на управление и динамики объекта находятся оптимальная траектория
у*(t) и оптимальное управление u*(t).
Компенсация возмущений.
Возмущения – воздействия среды на объект, вызывающие отклонения уп-
равляемой переменной от заданных значений или программ изменения.
Если о возмущении на объект f(t) имеется полная априорная информация,
то она может быть учтена при расчете оптимального управления, обеспечи-
вающего желаемое поведение объекта.
В некоторых случаях основное возмущение на объект можно изменять не-
посредственно, т.е. доступна текущая информация о причине отклонений. Используя эту информацию, можно компенсировать отклонения управляе-
мой переменной, оказывая на объект дополнительное воздействие. В прос-
тейшем случае компенсирующее воздействие суммируется с управляющем
(рис.2.5).
uf
f
Ux U Y
C
Рис. 2.5. Разомкнутая система с компенсацией возмущения
В результате получаем систему, также реализующую принцип разомкнуто-
го управления. Алгоритм обработки текущей информации о возмущении f в
компенсаторе К с целью вычисления воздействия uf стремится на базе ин-
формации о характеристиках объекта по каналам управления и возмущения.
Наличие текущей информации о возмущении, т.е. о причине отклонений,
дало возможность формирования в системе второго (искусственного) пути
из точки приложения возмущения к выходу объекта. Наличие такого пути
является необходимым условием реализации абсолютной инвариантности
управляемой переменной к непосредственно измеряемому возмущению (при-
нцип двухканальности). Для работоспособности системы управления с ком-
пенсацией возмущения необходимо, чтобы заданный режим был устойчив,
а другие (некомпенсированные) возмущения были слабыми.
Системы управления с обратной связью.
Достаточно сложно получать и своевременно обрабатывать полную инфор-
мацию о всех возмущениях, действующих на объект. Для ослабления дейст-
вия любых возмущений может быть использована информация об отклонени-
ях управляемой переменной, т.е. информация с следствиях возмущений. На
рис.2.6. представлена схема системы управления реализующий принцип об-
ратной связи
f
U* С y
-
u у у*
С
Рис.2.6. Система с обратной связью
Особенностью этой системы управления является наличие замкнутого кон-
тура причинно-следственных связей.
Достоинство обратной связи заключается в ее универсальности – какие бы
возмущения ни действовали на объект, будет выявлено их следствие – откло-
нение у управляемой переменной. В регуляторе Р на базе этой информации вырабатывается дополнительное управляющее воздействие u, направленное на уменьшение отклонения у.
Необходимо указать на то, что для функционирования системы с обратной связью нет необходимости в полной априорной информации о цели управле-
ния Достаточно иметь текущую информацию о цели в виде задающего воз-
действия у*(t) на входе элемента сравнения С. Задание на рассматриваемую
систему может генерироваться другими системами, например, системами высших уровней иерархии управления. При этом, достаточно иметь текущую информацию только об отклонении у(t) управляемой переменной у(t) от за-
данных значений у*(t).
Системы, предназначенные для воспроизведения на выходе объекта управле-
ния изменяющихся во времени задающих воздействий, называют следящими.
Обратная связь является единственным средством стабилизации неустойчи-
вых режимов объектов. Измеряя отклонения от положения равновесия или в
общем случае – от оптимальной траектории, можно оказать на объект воздей-
ствия, направленные на возвращение объекта в исходное состояние.
Важнейшим свойством отрицательной связи является уменьшение влияния изменений характеристик объекта на свойствах системы в целом.
Вышеизложенное позволяет констатировать об универсальности принципа обратной связи, которая при правильном применении способна стабилизиро-
вать неустойчивые режимы объектов, обеспечивать инвариантность к непос-
редственно неизмеряемым возмущениям и уменьшить чувствительность к
вариациям характеристик объекта и окружающей среды.
Недостатком систем управления с обратной связью является недостижи-
мость абсолютной инвариантности к произвольным воздействиям – для фор-
мирования сигнала управления и принципиально необходимы отклонения у,
являющиеся входной информацией управляющего устройства.
Адаптивное управление.