Какими свойствами обладает система управления
Под свойством понимают сторону объекта (процесса), обусловливающую его отличие от других объектов или сходство с ними и проявляющуюся при взаимодействии с другими объектами. Под характеристикой понимают то, что отражает некоторое свойство системы.
Из определения системы следует, что главным свойством системы является целостность, единство, достигаемое посредством определенных взаимосвязей и взаимодействий элементов системы и проявляющееся в возникновении новых свойств, которыми по отдельности элементы системы не обладают. Это свойство эмерджентности (от англ. emerge — возникать, появляться).
Целостность и эмерджентность — интегративные свойства системы, наличие которых представляет собой одну из важнейших черт системы. Целостность проявляется в том, что система обладает собственной закономерностью функциональности, собственной целью [10, с. 86].
Организованность — сложное свойство систем, заключающееся в наличии структуры и функционирования (поведения). Непременной принадлежностью систем являются их компоненты, именно те структурные образования, из которых состоит целое и без чего оно невозможно.
Функциональность — проявление определенных свойств (функций) при взаимодействии с внешней средой. Здесь же определяется цель как желаемый конечный результат.
Структурность — упорядоченность системы, определенный набор и расположение элементов со связями между ними. Между функцией и структурой системы существует взаимосвязь, как между такими философскими категориями, как содержание и форма. Изменение содержания (функций) влечет за собой изменение формы (структуры), и наоборот.
Важным свойством системы управления является наличие поведения — действия, изменений, функционирования и т.д. Считается, что поведение системы связано со средой (окружающей), т.е. с другими системами, с которыми она входит в контакт или вступает в определенные взаимоотношения.
Процесс целенаправленного изменения во времени состояния системы называется поведением. В отличие от управления, когда изменение состояния системы достигается за счет внешних воздействий, поведение реализуется исключительно самой системой, исходя из собственных целей.
Поведение каждой системы объясняется структурой систем низшего порядка, из которых состоит данная система, и наличием признаков равновесия (гомеостаза). В соответствии с признаком равновесия система имеет определенное состояние (состояния), которое является для нее предпочтительным. Поэтому поведение систем описывается в терминах восстановления этих состояний, когда они нарушаются в результате изменения окружающей среды. Поведение системы определяется характером реакции на внешние воздействия.
Еще одним свойством является свойство роста, развития, которое можно рассматривать как составляющую часть поведения.
Одним из первичных, а, следовательно, основополагающих атрибутов системного подхода является недопустимость рассмотрения объекта вне его развития, под которым понимается необратимое, направленное, закономерное изменение материи и сознания. В результате возникает новое качество или состояние объекта. Вне развития немыслимо существование материи и, в частности, системы. Наивно представлять себе развитие, происходящее стихийно, в неоглядном множестве процессов, кажущихся на первый взгляд чем-то вроде случайного движения. Развитие вначале проявляется как тенденция, а затем и довольно устойчивая закономерность. Закономерности по своей природе действуют объективно, т.е. не зависят от того, желаем мы их проявления или нет, так как в их основе лежит действие скрытого закона — устойчиво повторяющиеся отношения (связи).
Примером служит действие закона спроса и предложения. Если товар на рынке в избытке, то под действием закона это вначале проявляется как внутриквартальная тенденция снижения активности покупателей, превращающаяся в устойчивую закономерность уменьшения продаж.
Фундаментальным свойством систем является устойчивость, т.е. способность системы противостоять внешним возмущающим воздействиям. От нее зависит продолжительность жизни системы.
Простые системы имеют пассивные формы устойчивости: прочность, сбалансированность, регулируемость, гомеостаз, а для сложных систем определяющими являются активные формы: надежность, живучесть и адаптируемость. Если перечисленные формы устойчивости простых систем (кроме прочности) касаются их поведения, то определяющая форма устойчивости сложных систем носит в основном структурный характер [5, с. 52].
Надежность — свойство сохранения структуры систем, несмотря на гибель отдельных ее элементов, с помощью их замены или дублирования, а живучесть — активное подавление вредных качеств. Таким образом, надежность является более пассивной формой, чем живучесть.
Адаптируемость — свойство изменять поведение или структуру с целью сохранения, улучшения прежних или приобретения новых качеств в условиях изменения внешней среды. Обязательным условием возможности адаптации является наличие обратных связей.
Всякая реальная система существует в среде. Связь между ними бывает настолько тесной, что определить границу между ними становится сложно, поэтому выделение системы из среды связано с той или иной степенью идеализации.
Можно выделить два аспекта взаимодействия:
1) во многих случаях принимает характер обмена между системой и средой (веществом, энергией, информацией);
2) среда обычно является источником неопределенности для систем.
Воздействие среды может быть пассивным либо активным (антагонистическим, целенаправленно противодействующим системе). Поэтому в общем случае среду следует рассматривать не только как безразличную, но и как антагонистическую по отношению к исследуемой системе.
К неотъемлемым признакам системы также относятся: множественность элементов и единство между ними, наличие определенной структуры и др.
Таким образом, система управления в организации наделена определенными свойствами, необходимые для ее полноценного функционирования. Сложность структуры системы определяет сложность ее поведения, что в свою очередь означает предельность надежности, помехоустойчивости, управляемости и других свойств системы, т.е. предельность жизнеспособности и потенциальной эффективности сложных систем, в данном случае систем управления и их организационных структур.
В целом, применение теории систем к управлению облегчило для руководителей задачи, увидеть организацию в единстве составляющих ее частей, которые неразрывно переплетаются с внешним миром. Эта теория также помогла интегрировать вклады в школы, которые в разное время доминировали в теории и практике управления.
Свойство системы — совокупность параметров системы, определяющих ее поведение.
- 1. Делимость. Система предполагает деление на подсистемы и элементы.
- 2. Целостность. Все компоненты системы служат для ее функционирования, для достижения целей. Если целостность нарушается, то возникает так называемое состояние локальной эффективности, когда возникает эффект только в отдельном компоненте, а для системы в целом эффект не возникает или же возникает отрицательный эффект.
- 3. Эмерджентность. От английского слова «emerge» — возникать, проявляться. Смысл этого свойства — система обладает качествами, не присущими ни одному из ее компонентов. Это свойство возникает только тогда, когда система работает, функционирует.
- 4. Связность. Решение, принятое в одном из компонентов системы, затрагивает не менее одного соседнего компонента.
- 5. Сложность. Система называется сложной, если она состоит из большого числа взаимосвязанных компонентов. То есть сложность определяется многоступенчатостью и многообразием связей между ее компонентами. Выделяют два типа сложности: сложность, вызванная детализацией, количеством рассматриваемых компонентов и динамическая сложность. Соответственно выделяют различные пути преодоления типов сложности. Если в первом случае необходимо найти способ упростить на основе группировки сложную систему, т.е. составить пошаговый алгоритм, то во втором случае сложность возникает в тех случаях, когда компоненты системы вступают между собой в самые разнообразные взаимодействия и даже при небольшом их количестве они могут быть соединены множеством способов. Здесь возникает проблема, известная в теории систем как «проблема И (1 И 1)». То есть руководить двумя одинаковыми объектами более чем в два раза сложнее, чем каждым в отдельности, потому что они могут пребывать в разных состояниях, которые будут меняться в зависимости от того, что происходит с другим объектом.
Кстати, самой сложной из известных систем является человеческий мозг. При весе около 1,5 кг он состоит из более чем 100 млрд нейронов (нервных клеток), у каждого из которых может быть до 100 тыс. связей.
- 6. Организованность. Это свойство противоположно (обратно пропорционально) сложности. То есть организованность является способом уменьшения сложности за счет изменения связей внутри системы и с внешней средой. Это свойство обусловлено тем, что сложность необходимо контролировать и реагировать на изменение сложности.
- 7. Управляемость. Это свойство тесно связано с организованностью и сложностью. В самом общем виде под управляемостью следует понимать способность системы за заданный период времени достигать поставленных целей. Можно трактовать управляемость как способность системы обеспечивать достижение максимальных результатов при минимальных затратах с учетом имеющихся потенциальных возможностей.
- 8. Устойчивость. Под устойчивостью понимается способность системы в условиях воздействия внутренней среды и внешнего окружения функционировать в соответствии с определенным планом. Устойчивость связывается со способностью системы выполнять возложенные на нее функции, несмотря на отклонения в ее структуре и организации. В устойчивых системах небольшие изменения в организации или структуре оказывают пренебрежимо малое влияние на поведение системы.
- 9. Самообновление. Это способность системы вырабатывать необходимые в данной ситуации нововведения, оценивать их эффективность, а также обеспечивать их реализацию наиболее адекватным способом. Это свойство особенно актуально в настоящее время, когда инновационный путь развития является по сути единственным эффективным.
Известный американский ученый У.Э. Деминг назвал понимание системных свойств основой, минимумом теоретических знаний, обязательных для каждого стремящегося к успеху руководителя [2].
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 22 сентября 2017;
проверки требует 31 правка.
Систе́ма управле́ния — систематизированный (строго определённый) набор средств сбора сведений о подконтрольном объекте и средств воздействия на его поведение, предназначенный для достижения определённых целей. Объектом системы управления могут быть как технические объекты, так и люди. Объект системы управления может состоять из других объектов, которые могут иметь постоянную структуру взаимосвязей.
Техни́ческая структу́ра управле́ния — устройство или набор устройств для манипулирования поведением других устройств или систем.
Объектом управления может быть любая динамическая система или её модель. Состояние объекта характеризуется некоторыми количественными величинами, изменяющимися во времени, то есть переменными состояния. В естественных процессах в роли таких переменных может выступать температура, плотность определённого вещества в организме, курс ценных бумаг и т. д. Для технических объектов это механические перемещения (угловые или линейные) и их скорость, электрические переменные, температуры и т. д. Анализ и синтез систем управления проводится методами специального раздела математики — теории управления.
Структуры управления разделяют на два больших класса:
- Автоматизированная система управления (АСУ) — с участием человека в контуре управления;
- Система автоматического управления (САУ) — без участия человека в контуре управления.
Типы систем автоматического управления[править | править код]
Система автоматического управления, как правило, состоит из двух основных элементов — объекта управления и управляющего устройства.
По цели управления[править | править код]
Объект управления — изменение состояния объекта в соответствии с заданным законом управления. Такое изменение происходит в результате внешних факторов, например, вследствие управляющих или возмущающих воздействий.
Системы автоматического регулирования[править | править код]
- Системы автоматической стабилизации. Выходное значение поддерживается на постоянном уровне (заданное значение — константа). Отклонения возникают за счёт возмущений и при включении.
- Системы программного регулирования. Заданное значение изменяется по заранее заданному программному закону f. Наряду с ошибками, встречающимися в системах автоматического регулирования, здесь также имеют место ошибки от инерционности регулятора. Программное регулирование — достаточно сложный процесс, требует знания технологии и динамических свойств управляемого объекта[1], работающим под непосредственным контролем человека.
- Следящие системы. Входное воздействие неизвестно. Оно определяется только в процессе функционирования системы. Ошибки очень сильно зависят от вида функции f(t).
Системы экстремального регулирования[править | править код]
Способны поддерживать экстремальное значение некоторого критерия (например, минимальное или максимальное), характеризующего качество функционирования данного объекта. Критерием качества, который обычно называют целевой функцией, показателем экстремума или экстремальной характеристикой, может быть либо непосредственно измеряемая физическая величина (например, температура, ток, напряжение, влажность, давление), либо КПД, производительность и др.
Выделяют:
- Системы с экстремальным регулятором релейного действия. Универсальный экстремальный регулятор должен быть хорошо масштабируемым устройством, способным исполнять большое количество вычислений в соответствии с различными методами.
- Сигнум-регулятор используется как аналоговый анализатор качества, однозначно характеризующий лишь один подстраиваемый параметр систем. Он состоит из двух последовательно включенных устройств: Сигнум-реле (D-триггер) и исполнительный двигатель (интегратор).
- Экстремальные системы с безынерционным объектом
- Экстремальные системы с инерционным объектом
- Экстремальные системы с плавающей характеристикой. Используется в случае, когда экстремум меняется непредсказуемым или сложно идентифицируемым образом.
- Системы с синхронным детектором (экстремальные системы непрерывного действия). В прямом канале имеется дифференцирующее звено, не пропускающее постоянную составляющую. Удалить или зашунтировать по каким-либо причинам это звено невозможно или неприменимо. Для обеспечения работоспособности системы используется модуляция задающего воздействия и кодирование сигнала в прямом канале, а после дифференцирующего звена устанавливают синхронный детектор фазы.
Адаптивные системы автоматического управления[править | править код]
Служат для обеспечения желаемого качества процесса при широком диапазоне изменения характеристик объектов управления и возмущений.
Следует различать два метода организации адаптации: поисковую адаптацию и адаптацию с индикацией объекта, то есть с экспериментальной оценкой его математической модели.
По виду информации в управляющем устройстве[править | править код]
Замкнутые САУ[править | править код]
В замкнутых системах автоматического регулирования управляющее воздействие формируется в непосредственной зависимости от управляемой величины. Связь выхода системы с его входом называется обратной связью. Сигнал обратной связи вычитается из задающего воздействия. Такая обратная связь называется отрицательной. Может ли быть на оборот? Оказывается, да. В этом случае обратная связь называется положительной, она увеличивает рассогласование, то есть, стремится «раскачать» систему. На практике положительная обратная связь применяется, например, в генераторах для поддержания незатухающих электрических колебаний
Разомкнутые САУ[править | править код]
Сущность принципа разомкнутого управления заключается в жёстко заданной программе управления. То есть управление осуществляется «вслепую», без контроля результата, основываясь лишь на заложенной в САУ модели управляемого объекта.
Примеры таких систем: таймер, блок управления светофора, автоматическая система полива газона, автоматическая стиральная машина и т. п.
В свою очередь, различают:
- Разомкнутые по задающему воздействию
- Разомкнутые по возмущающему воздействию
Характеристика САУ[править | править код]
В зависимости от описания переменных системы делятся на линейные и нелинейные. К линейным относятся системы, состоящие из элементов описания, которые задаются линейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями.
Если все параметры уравнения движения системы не меняются во времени, то такая система называется стационарной. Если хотя бы один параметр уравнения движения системы меняется во времени, то система называется нестационарной или с переменными параметрами.
Системы, в которых определены внешние (задающие) воздействия и описываются непрерывными или дискретными функциями во времени, относятся к классу детерминированных систем.
Системы, в которых имеет место случайные сигнальные или параметрические воздействия и описываются стохастическими дифференциальными или разностными уравнениями, относятся к классу стохастических систем.
Если в системе есть хотя бы один элемент, описание которого задается уравнением частных производных, то система относится к классу систем с распределенными переменными.
Системы, в которых непрерывная динамика, порождаемая в каждый момент времени, перемежается с дискретными командами, посылаемыми извне, называются гибридными системами.
Примеры систем автоматического управления[править | править код]
В зависимости от природы управляемых объектов можно выделить биологические, экологические, экономические и технические системы управления. В качестве примеров технического управления можно привести:
- Системы дискретного действия или автоматы (торговые, игровые, музыкальные).
- Системы стабилизации напряжения, температуры, уровня жидкости, оборотов, уровня звука, изображения или магнитной записи и др. Это могут быть управляемые комплексы летательных аппаратов, включающие в свой состав системы автоматического управления двигателя, рулевыми механизмами, автопилоты и навигационные системы.
Понятие настройки системы регулирования[править | править код]
Под настройкой системы регулирования понимается перечень расчетных и экспериментальных работ, направленных на поиск настроечных параметров регулятора, обеспечивающих заданное качество регулирования, организацию и проведение натурных испытаний на действующем производстве или расчетных экспериментов для подтверждения оптимальности выбранных параметров. Доказательством оптимальности должны служить результаты работы регулятора для нескольких значений настроечных параметров, среди которых существуют оптимальные. Параметрами настройки являются их численные значения для конкретного регулятора, ограничения на диапазоны их вариации при поиске, а также критерии качества.
Понятие настройки системы регулирования является достаточно широким — все зависит от поставленной цели и условий настройки. При настройке любых систем регулирования особенно в теплоэнергетике следует учитывать внутреннюю противоречивость выполняемой работы.
Успех настройки регулятора зависит от полноты информации об объекте регулирования. В то же время наиболее полная и достоверная информация может быть получена во время работы системы. Поэтому практическую настройку всегда приходится начинать при дефиците информации и надо быть готовым ко всякого рода неожиданностям.
Однако в любом случае обеспечение устойчивости является обязательным необходимым требованием.
К результатам настройки могут быть предъявлены следующие требования, которые можно отнести к категории достаточных:
- обеспечение работоспособности системы регулирования (возможность включения регулятора);
- обеспечение работы регулятора при заданном запасе устойчивости (гарантия устойчивой работы);
- обеспечение оптимальных параметров, гарантирующих минимум выбранного критерия качества.
Приведенный перечень достаточных требований является списком этапов выполнения наладочных работ, которые надо выполнить для достижения максимального качества работы системы регулирования. Этапы могут быть выполнены сразу при пуске производства или разнесены во времени.[2]
Требования, предъявляемые к системам автоматического управления[править | править код]
Основное назначение системы автоматического управления состоит в обеспечении заданного соответствия между входной и выходной координатами. В случае следящей системы входная координата должна быть равна выходной в любой момент времени. Поскольку автоматическая система работает на основе сравнения входной и выходной координат, такое равенство принципиально неосуществимо и можно лишь говорить о достаточно малой разности между входной и выходной координатами.[3]
См. также[править | править код]
- Теория управления
- Теория автоматического управления (ТАУ)
- Распределённая система управления
- Регулятор (теория управления)
- Автоматическая бортовая система управления
- Логарифмические частотные характеристики
- Управление с прогнозирующими моделями
- Апериодическое звено
Примечания[править | править код]
- ↑ А. В. Андрюшин, В. Р. Сабанин, Н. И. Смирнов. Управление и инноватика в теплоэнергетике. — М: МЭИ, 2011. — С. 15. — 392 с. — ISBN 978-5-38300539-2.
- ↑ Стефани Е. П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов /Е. П. Стефани. М., 1982. — 325 с
- ↑ Е. А. Федосов, А. А. Красовский, Е. П. Попов и др. Машиностроение. Энциклопедия. Автоматическое управление. Теория. — М., 2000. — С. 20. — 688 с. — ISBN 5-217-02817-3.
Литература[править | править код]
- Яшкин И. И. Курс теории автоматического управления. М., Наука, 1986
- Поляк Б. Т., Щербаков П. С. Робастная устойчивость и управление. М., Наука, 2002
- Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М., Наука, 1966
- Цыпкин Я. З. Основы теории автоматических систем. М., Наука, 1977
- Новиков Д. А. Теория управления организационными системами. 2-е изд. — М.: Физматлит, 2007.
- Красовский А. А. Динамика непрерывных самонастраивающихся систем. М. 1963
- Моросанов И. С. Релейные экстремальные системы. М., Наука, 1964
- Кунцевич В. М. Импульсные самонастраивающиеся и экстремальные системы автоматического управления. К, Наука, 1966
- Растригин Л. А. Системы экстремального управления. М., Наука, 1974
- Бутко Г. И., Ивницкий В. А., ПОрывкин Ю. П. Оценка характеристик систем управления летательными аппаратами. М., Машиностроение, 1983