скачать книгу бесплатно
Имеются попытки создать автоматизированный трактор. Он передвигается по программе и использует GPS. Это период автоматизации. Замена человека на уровне системы управления. Программу пишет и вводит в машину человек.
Следующим этапом – программа создается и изменяется программой. Трактор будет самостоятельно знать, когда и что необходимо сеять, и собирать плоды. Все процессы будут происходить без участия человека. Это этап кибернетизации (интеллектуализации).
Рис. 22.16. Схема закономерности уменьшения участия человека в работе системы
22.2.3. Управляемая система
Автоматическое управление[4 - Автоматическое управление – БСЭ http://slovar.cc/enc/bse/1970183.html (https://ridero.ru/link/92JIGwZ4u6OM6K).] в технике – совокупность действий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления.
Цель управления – это изменение выходной величины управляемого объекта.
Тенденция перехода от неуправляемой к управляемой системе показана на рис. 22.17. Она представляет собой:
Переход от неуправляемой системы к управлению по разомкнутому контуру, затем к переходу к системе с обратной связью, к адаптивной (самонастраивающейся) системе, к самообучаемой и самоорганизующейся системе и, наконец, к саморазвивающейся и самовоспроизводящей системе.
Рис. 22.17.Переход от неуправляемой системы к управляемой
Управление по разомкнутому контуру осуществляется без знаний о текущем состоянии об управляемом объекте. При таком управлении чаще всего управление ведется по жесткой программе, без анализа каких-либо факторов в процессе работы, либо измеряют и компенсируют главные из возмущений.
Для этого вида управления характерно отсутствие обратной связи, с помощью которой можно получить информацию о том, что происходит в объекте управления.
Структурная схема системы управления по разомкнутому контуру показана на рис. 22.18. Устройство управления воздействует на объект управления по программе, находящейся в задающем устройстве. На объект управления могут воздействовать возмущения. Некоторые системы по разомкнутому циклу измеряют главные из возмущений и компенсируются.
Рис. 22.18.Система управления по разомкнутому контуру
Этот вид управления достаточно примитивен, но часто исполнительные устройства просты, надежны и дешевы. По такому принципу работают примитивные автоматы и конвейерные линии.
Условия предпочтения управления по разомкнутому контуру управлению по замкнутому контуру:
– не нужны высокоточные операции;
– система может работать удовлетворительно без гарантии изменений, которые происходят в объекте управления.
Приведем примеры систем, работающих по разомкнутому циклу.
Пример 22.7. Стиральная машина
Переключение команд в стиральной машине осуществляется по определенной программе.
Пример 22.8. Сильфон
В сильфоне (рис. 22.19), заполненном жидкостью, входным сигналом является теплота. Жидкость и окружающая ее оболочка вместе с сильфоном представляют собой датчик и усилитель.
Выход системы – это стержень или подвижный рычаг.
Существенным для этой системы является довольно высокие значения движущей силы и длинный ход, который можно получить на выходе: обычный показатель – от полу килограмма до нескольких килограммов в зависимости от размера сильфона. А ход может изменяться в диапазоне от миллиметров до нескольких сантиметров. По сути, это практичный вариант исполнительного устройства с прямым линейным приводом без двигателей или электроэнергии.
Сравнивая схему управления и устройство системы, наглядно видно, что сильфон является физическим представлением системы управления по разомкнутому контуру.
Рис. 22.19.Сильфон
Пример 22.9. Система прижатия полупроводниковой пластины
Для прижатия полупроводниковой пластины во время обработки используют сильфон (рис. 22.20). Он растягивается и сжимается по мере изменения давления, находясь в одном из двух состояний – сжатом или растянутом. Обработка пластины ведется в вакууме, сильфон растягивается, выдвигая зажим, который прижимает пластину. Когда камера открывается, в ней оказывается атмосферное давление, сильфон сжимается, отодвигая зажим и высвобождая пластину.
Это система работает по разомкнутому контуру. В ней нет обратной связи, чтобы удостовериться, что зажим был приведен в действие. Исключена необходимость размещения внутри камеры датчиков, приводов и устройства вывода из нее подводов. Система проста и надежна.
Рис. 22.20.Система прижатия полупроводниковой пластины
Вид систем, где предпочтительно использовать управление по разомкнутому контуру:
– чаще всего механические системы;
– системы, допускающие их корректировку оператором для компенсации ошибок;
– системы, предназначенные для работы продолжительное время с минимальным вниманием оператора;
– системы, не требующие повторной калибровки;
– системы, простые по функциям и в конструкции системы, в которых отдельные компоненты выполняют многочисленные задачи;
– системы, непрерывно работающие даже без необходимости;
– системы, в которых стоимость важнее точности.
Система с обратной связью представляет собой систему, работающую по замкнутому контуру. В такой системе осуществляется регулирование по отклонению, а цепь прохождения сигналов образует замкнутый контур, включающий объект управления и управляющее устройство.
Пример 22.10. Водопроводный кран
При мытье рук сначала включают кран, а потом используют мыло. Во время мытья расходуется много лишней воды. Как сократить расходы?
Существуют системы, выдающие определенную порцию воды, – это управление по разомкнутому циклу.
Выпускается водопроводный кран, в нижней части которого имеются излучатель и приемник инфракрасного излучения. При поднесении рук под кран включается вода
(рис. 22.21). Когда руки убираются из-под крана – вода выключается. Такой кран сберегает много воды и окупается в течение шести месяцев[5 - Central Brass Manufacturing. Design News, 1989, vol. 44, No.22. «Energy», No. 11, 1989. USA.]. Это пример системы с обратной связью.
Рис. 22.21.Автоматизированный водопроводный кран
Структурная схема системы управления с обратной связью показана на рис. 22.22. Устройство управления воздействует на объект управления посредством сигнала (управляющего воздействия) в соответствии с ошибкой управления, которая вырабатывается в результате сравнения сигнала обратной связи с задающим воздействием. На объект управления могут воздействовать возмущения.
Рис. 22.22. Система управления с обратной связью, где крестик в кружочке – сумматор
Обратная связь – это процесс, приводящий к тому, что результат функционирования какой-либо системы влияет на параметры, от которых зависит функционирование этой системы. На вход системы подается сигнал, являющийся функцией выходного сигнала. Часто это делается преднамеренно, чтобы повлиять на динамику функционирования системы.
Различают положительную и отрицательную обратную связь.
Отрицательная обратная связь – это тип обратной связи, при которой входной сигнал системы изменяет таким образом, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала. Отрицательная обратная связь компенсирует отклонения управляемой величины от желаемых значений вне зависимости от причин, вызвавших эти отклонения. Таким образом, на вход системы подается инвертируемый выходной сигнал, сигналы вычитаются, уменьшая ошибку управления.
Отрицательная обратная связь делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров.
На рис. 22.23 затемненная часть сумматора обозначает, что он является инвертором (сигнал вычитается).
Рис. 22.23.Система управления с отрицательной обратной связью
Примером отрицательной обратной связи является любая система автоматического управления и регулирования, следящая система.
Пример 22.11. Инвертор
Простейший пример отрицательной обратной связи – это инвертор или инвертирующий усилитель (рис. 22.24). Он выполнен на операционном усилителе (ОУ). Обратная связь подается через сопротивление R3 на инвертирующий вход (он обозначается кружочком), при этом фаза выходного сигнала сдвигается относительно входного на 180?, поэтому обратная связь отрицательная.
Рис. 22.24. Схема инвертора (инвертирующего усилителя):
ОУ – операционный усилитель, R1, R2, R3 – сопротивления
Пример 22.12. Автопилот
Автопилот предназначен для автоматического управления самолетом в пространстве. Он содержит практически идентичные каналы управления по направлению (курсу) в горизонтальной плоскости, по крену (повороту вокруг продольной оси), тангажу (движение в вертикальной плоскости – повороты с носа на корму) и высоте. Рассмотрим канал управления по курсу.
Устройство канала управления самолетом по курсу изображено на рис. 22.25а.
Схема системы управления представлена на рис. 22.25б.
Объектом управления является корпус самолета (1). Сигнал о текущем направлении самолета получают с датчика направления. Обычно для этого используют гироскоп (2), который сохраняет неизменное положение в пространстве. Сигнал разности между текущим положением самолета и показаниями гироскопа подается на суммирующее устройство (3), где происходит сравнение данного сигнала с заданным направлением, соответствующим режиму полета. Разница между этими сигналами (рассогласование) усиливается (4) и поступает на исполнительное устройство (5) (двигатель), которое поворачивает руль направления (6), а он разворачивает самолет.
Рис. 22.25. Система управления самолетом по курсу
Пример 22.13. Терморегуляция
Повышение (или понижение) температуры тела человека регистрируется терморецепторами в коже и гипоталамусе, вызывая в мозгу сигнал отрицательной обратной связи, вызывающий понижение (или повышение) температуры.
Эффективность управления повышается, если управление осуществляется не только по управляемой величине, но и по ее производным и интегралу.
Производная позволяет раньше реагировать на изменение управляемой величины, а интеграл позволяет учесть предыдущие изменения.
Положительная обратная связь – это тип обратной связи, при которой изменение выходного сигнала системы усиливается за счет складывания с входным сигналом, способствуя дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения.
Системы с сильной положительной обратной связью неустойчивы, в них возникают незатухающие колебания (автоколебания).
Положительная обратная связь используется, например, в усилителях, генераторах, переключателях и т. п.
Пример 22.14. Генератор
Простейший пример положительной обратной связи – это генератор. На схеме (рис. 22.26) генератор выполнен на операционном усилителе (ОУ). Обратная связь подается через сопротивление R3 на положительный вход, при этом входной и выходной сигналы складываются, усиливая выходной сигнал. Поэтому обратная связь положительная.
Рис. 22.16.Схема генератора:
ОУ – операционный усилитель, R1, R2, R3 – сопротивления
Пример 22.15. Возбуждение
Реакция возбуждения нервной системы является примером положительной обратной связи. Если не срабатывает отрицательная обратная связь, то организм перевозбуждается, что может привести к болезням или летальному исходу.
Вместе с тем положительная обратная связь выводит организм из застоя – переводит его на новый уровень, например, помогает в творчестве.
Пример 22.16. Инфляционные ожидания
В качестве примера положительной обратной связи рассмотрим проблему инфляционных ожиданий. Рост инфляционных ожиданий вынуждает людей делать больше покупок, чем необходимо. Увеличение спроса приводит к росту цен и усиливает инфляцию, что в свою очередь способствует повышению инфляционных ожиданий.
Самонастраивающаяся система – это система, в которой приспособление к случайно изменяющимся условиям обеспечивается автоматическим изменением параметров настройки или путем автоматического поиска оптимальной настройки. Самонастраивающуюся систему также называют адаптивной или самоприспосабливающейся.
В самонастраивающихся системах параметры меняются в более широком диапазоне по сравнению с обычными (не самонастраивающимися) системами, в которых осуществляется первоначальная настройка (создание определенных параметров) при разработке системы. Такие параметры влияют на устойчивость и качество процессов управления. Если эти параметры остаются неизменными, а условия функционирования (характеристики управляемого объекта, возмущающие воздействия) существенно изменяются, то процесс управления может ухудшиться или даже стать неустойчивым. Ручная настройка системы часто оказывается обременительной, а иногда и невозможной. Использование в таких случаях самонастраивающейся системы технически и экономически целесообразно и даже может оказаться единственным способом надежного управления.
Самонастраивающаяся система сохраняет работоспособность даже в условиях непредвиденного изменения свойств управляемого объекта, цели управления или условий окружающей среды посредством смены алгоритмов своего функционирования или поиска оптимальных состояний.
Развитой адаптивной способностью обладают все живые организмы.
Пример 22.17. Коммутатор
Коммутаторы предназначены для подключения и отключения входных сигналов. Они широко используются в серверах, чтобы повысить производительность пропускания каждого из каналов (портов). Каждый из портов имеет определенную скорость пропускания информации, что ограничивает общую производительность ее прохождения.
Компания IBM разработала коммутатор с самонастраивающимися портами, способными автоматически выбирать наибольшую скорость пропускания информации без блокировки каналов.
Пример 22.18. «Умные» кроссовки
Компания Adidas создала кроссовки снабженными микропроцессорами, датчиками и микромотором (рис. 22.27). Кроссовок адаптируется под почву, меняя амортизационные характеристики подметки. Кроссовки сами приспосабливаются к габаритам бегуна и длине его шага, выбирают оптимальную упругость для любого покрытия – от твердого до пересеченной местности и от сухих улиц до влажного океанского берега. Вес кроссовок составляет 400 г, из которых на «электронно-мозговую» часть приходится всего 40 г. Через каждые 100 ч необходимо менять батарейку.
Рис. 22.27. «Умные» кроссовки
Самообучающаяся система – это система, алгоритм функционирования которой совершенствуется путем самообучения в процессе работы, улучшая функционирование системы.
Пример 22.19. Выявление подозрительного поведения
Ученые американского университета штата Огайо разрабатывают систему, которая сможет автоматически выявлять факты подозрительного поведения людей на улицах.
Самообучающаяся система сможет распознавать в видеопотоке странные действия людей и машин, отслеживать выбранные объекты и при необходимости информировать полицию или скорую помощь.
На протяжении нескольких месяцев она накапливает сведения о типовых маршрутах передвижения по контролируемой улице и способна, например, отличать граждан, спешащих на работу, от заблудившихся подростков.
Пример 22.20. Поисковые системы
Информацию в Интернете ищут с помощью специальных поисковых систем, например, поисковой машины Google, которая обрабатывает в месяц более 40 млрд запросов. Программа поисковой машины самостоятельно изучает запросы и впоследствии предоставляет клиентам информацию, более подходящую для каждого из них. Например, предоставляет информацию, к которой чаще всего обращаются.
Самоорганизующаяся система – это система, которая способна синтезировать модель структуры системы в зависимости от ее предназначения и окружающих ее условий. Она разрабатывает алгоритм работы системы, проектируя систему управления, и по синтезируемой модели создает саму систему из имеющихся элементов. Такая система способна перестроить структуру системы, чтобы приспособиться к внутренним или внешним изменениям.
В простейшем случае система способна изменить связи между подсистемами, а в сложнейшем случае заменять, добавлять или изменять подсистемы для создания структуры, способной наилучшим образом выполнить необходимые функции.
Основное отличие самоорганизующейся системы от самонастраивающейся системы заключается в том, что в первой в процессе приспособления преобладают качественные изменения, а во второй – количественные.
