Розділ 6. Автоматизовані системи управління

Великі масштаби керованих об'єктів, характерні для економіки країни, і зростаюча складність виробничих та економічних відносин вимагають вдосконалювання систем управління і забезпечення цілеспрямованого регулювання. Одним з головних і найбільш ефективних напрямків вдосконалювання управління не тільки окремих ланок економіки, але і народного господарства в цілому являється створення автоматизованих систем управління (АСУ), основною задачею яких є забезпечення оптимального функціонування об'єкта управління як єдиного цілого. АСУ здійснює вдосконалення окремих елементів діючої складної системи управління підприємством, галуззю і т.д. на основі використання економіко-математичних методів та технічних засобів автоматизації процесів збору, передачі й обробки інформації. АСУ широко використовує методи прийняття рішень на основі сучасної інформаційно-технічної бази. Ці методи використовуються для реалізації головним чином функцій, органічно властивих відповідний системі управління.

Об'єктом управління в АСУ може бути робоче місце, потокова лінія, ділянка, цех, підприємство, об'єднання, галузь і т.д. Керуюча ж частина містить у собі багато елементів, необхідних для здійснення процесу управління об'єктом. До них, зокрема, відноситься управлінський персонал, технічні засоби і методи управління.

АСУ являється складними людино-машинними системами, у яких машинна обробка інформації сполучається з координуючою діяльністю людини. При цьому людиною виконуються, як правило, найбільш складні і такі , що важко піддаються формалізації функції (постановка проблеми, прийняття рішення при неповній інформації і невизначеності, контроль за якістю обробки інформації й ін.). У процесі вироблення керуючих впливів людина, зокрема, покликана враховувати соціальні, психологічні, моральні, фізіологічні фактори й ін.

Перш ніж дати загальноприйняте визначення АСУ необхідно уточнити зміст складових його понять, тобто автоматизації, системи і управління.

Автоматизація в загальнім вигляді являє собою комплекс дій і заходів технічного, організаційного й економічного характеру, у результаті яких знижується чи цілком виключається особиста участь людини в здійсненні того чи іншого виробничого процесу чи процесу керування.

Система - сукупність взаємодіючих елементів, об'єднаних єдністю мети чи спільними цілеспрямованими правилами взаємин

Керування - процес переведення системи в нове, заздалегідь призначене становище шляхом впливу на її елементи (змінні).

Відповідно ДО ДЕРЖСТАНДАРТУ 24.003—84 «Автоматизовані системи управління. Основні положення. Терміни і визначення» АСУ являє собою систему «людина-машина», що забезпечує ефективне функціонування об'єкта, у якій збір і переробка інформації, необхідної для реалізації функцій управління, здійснюються з застосуванням засобів автоматизації й обчислювальної техніки.

Іншими словами, АСУ являє собою особливу форму організації управління діяльністю різних народногосподарських ланок, засновану на взаємодії людини і машини, а також на широкім використанні вироблених практикою управління прийомів і сучасних методів оптимізації й автоматизації процесів прийняття рішень.

За допомогою АСУ можна забезпечити рішення наступних корінних проблем управління: безперервності і динамічності управління; багатоваріантності розрахунків; тісної взаємозвя’зки різних розділів і систем планування; створення систем, працюючих в реальнім масштабі часу і задовольняючих постійно зростаючим вимогам в відношенні частоти і швидкості обробки інформації; усунення довільного втручання людей в інформаційну систему; досягнення необхідної повноти і вірогідності інформації.

Створенню АСУ в нашій країні надається важливе значення. По масштабах, темпам зросту, витратам матеріальних, фінансових і трудових ресурсів, нарешті, по ступені впливу на процеси планування і управління проблема створення АСУ перетворилася у велику народногосподарську задачу

АСУ можуть значно відрізнятися характером і об'ємом розв'язуваних задач, типами об'єктів керування і рядом інших ознак

Загальноприйнятої класифікації АСУ в даний час не існує і тому серед ознак, по яких їхній найчастіше класифікують, можна виділити наступні:

Рівень чи сфера дії - АСУ державні, міжгалузеві, територіальні (регіональні), галузеві, АСУ об'єднань , підприємств , організацій , технологічних процесів ;

призначення чи характер об'єктів керування - асу адміністративні, виробничо-технічні, соціальні, транспортні й ін;

рівень автоматизації процесу керування — АСУ інформаційно-довідкові, інформаційно-дорадчі, інформаційно-керуючі;

ступінь централізації обробки інформації - асу централізовані, децентралізовані і системи колективного користування;

характер керованого виробничих для виробництва з дискретним процесом (машинобудування, приладобудування), з безупинним процесом (хімічна, нафтопереробна і газова промисловість) і з безперервно-дискретним процесом (металургійна, цементна, харчова промисловість) ;

ступінь інтеграції функцій — багаторівневі АСУ з інтеграцією по рівнях планування (перспективному, п'ятилітньому і поточному плануванню), багаторівневі АСУ з інтеграцією по рівнях керування (підприємство-об'єднання, об'єднання-галузь і т.д.), комплексні АСУ, що здійснюють інтеграцію АСУ з різнорідними задачами (АСУ підприємством із системою автоматизованого проектування), АСУ підприємством з АСУ технологічними процесами і т.д.

Відповідно до розподілу, запропонованому академіком В. М. Глушковим, існують АСУ двох основних типів: автоматизовані системи керування технологічними процесами (АСУТП) і автоматизовані системи організаційного чи адміністративного керування (АСОУ).

АСУТП керує роботою технологічних процесів (керування верстатом, домною і т.п.), АСОУ – об’єктами економічної і соціальної природи.

Головна відмінність цих систем полягає насамперед в характері об'єкта керування: для АСУТП - це різні машини, прилади, пристрої, а для АСОУ – перш за все люди, колективи людей. Інша відмінність заключається в формі передачі інформації. В АСУТП основною формою передачі інформації є різні сигнали (електричні, оптичні, механічні й ін.), в АСОУ - папери

Останнім часом намітилася тенденція злиття АСУТП і АСОУ в єдині інтегровані системи керування — комплексні АСУ. У таких системах велика частина циркулюючої в системі інформації передається у виді сигналів і спеціальних документів на машинних носіях (магнітних стрічках для верстатів із програмним керуванням і т п ).

Така інтеграція систем керування дає можливість істотно підвищити ефективність виробництва за рахунок синергизма, тобто за рахунок системного ефекту, що значно перевищує просту суму ефектів роздільно функціонуючих систем.

У цих АСУ більш широке поширення одержує безпаперова технологія, комплексування технічних засобів без спеціальних пристроїв сполучення (безінтерфейсне комплексування), а також діалоговий режим планування і управління.

Для систематичного вивчення різних класів АСУ, а також для планування процесу їхнього впровадження важливе значення має класифікація АСУ за їх місцем в системі управління народним господарством.

На верхнім рівні схеми знаходиться автоматизована система збору й обробки інформації для обліку, планування і керування народним господарством (ОГАС), що поєднує в собі всі АСУ, створювані в країні.

Наступний рівень класифікації представлений міжгалузевими АСУ функціонального призначення, АСУ галузей і територіальними АСУ

Галузеві АСУ у свою чергу розрізняються між собою по сферах застосування: промислова, непромислова і наукова.

У промисловій сфері превалює галузевий характер ієрархії АСУ. У її нижній ступіні в ряді випадків створюються організаційно-технологічні системи, найбільше економічно виправдані їхньою експлуатацією.

Непромислова сфера включає у свій склад галузі господарства, що відрізняються як своїми специфічними особливостями, так і структурою побудови. Одні з них будуються за принципом галузевої ієрархії, в основі побудови інших лежить територіальна структура керування (будівництво, торгівля, постачання й ін.).

У науковій сфері створюються АСУ науково-дослідних, проектно-дослідницьких і дослідно-конструкторських організацій.

Основні принципи побудови АСУ вперше були сформульовані академіком В. М. Глушков.

Першим і основної з них є системний підхід. Суть його полягає в тому, що кожне явище розглядається й оцінюється у взаємозв'язку з іншими. При цьому всі складені елементи системи і процеси, що відбуваються в ній, взаємопов’язаються з обліком як внутрішніх, так і зовнішніх факторів. Системний підхід об'єкті як на єдиному цілому, а не на окремих його частинах, як би виконували вони свої індивідуальні функції, тому що специфічні властивості об'єкта можуть бути оцінені тільки з позицій усієї системи.

Основними етапами формування системи при цьому підході є:

- визначення цілей системи;

- визначення вимог до системи, тобто границь об'єкта керування;

- визначення функціональних підсистем, їхньої структури і задач у загальній системі керування;

- виявлення й аналіз зв'язків між підсистемами;

- установлення порядку функціонування всієї системи в цілому

і її динаміки;

- синтез інтегрованої системи.

Принцип системного підходу є не тільки основним при створенні АСУ, але й у значній мірі впливає на інші принципи, визначаючи їхню успішну реалізацію.

Коротко розглянемо інші основні принципи.

Принцип рішення нових задач означає, що ефективність АСУ підвищується при рішенні задач, що при традиційній ручній технології керування неможливо чи вирішити можна вирішити лише приблизно. До числа цих задач відносяться задачі оптимізації, а також задачі, розв'язувані вручну по спрощених методиках.

Принцип першого керівника полягає в тому, що розробку і впровадження АСУ потрібно робити під безпосереднім керівництвом першого керівника відповідного об'єкта. Вітчизняна і закордонна практика свідчить, що всяка спроба передоручити справу створення АСУ другорядним особам неминуче приводить до того, що система не дає очікуваного ефекту.

Відповідно до принципу безупинного розвитку системи при проектуванні АСУ необхідно передбачити можливість швидко реагувати на виникнення нових задач керування й удосконалювання уже впроваджених задач у процесі зміни об'єкта.

Принцип погодженості пропускних здібностей окремих частин системи означає необхідність досягнення такої умови, при якому пропускна здатність кожного наступного ланки повинна бути не менше пропускної здатності попереднього ланки.

Принцип максимальної розумної типізації означає максимальне використання при створенні АСУ економічно виправданих практикою типових проектних рішень.

Відповідно до принципу автоматизації документообігу варто автоматизувати не тільки розрахунки, але й оформлення документів, збір і передачу вихідних і результатних даних.

При створенні АСУ важливо мати на увазі принцип однократності введення даних в ЕОМ, відповідно до якого багаторазове використання будь-якого роду однорідних зведень при рішенні задач на ЕОМ не повинно приводити до повторного введення даних у пам'ять ЕОМ.

Крім цих основних принципів при розробці АСУ керуються також принципами координації зусиль розроблювача і замовника, єдності далеких і ближніх цілей створення АСУ, гнучкості інформаційного забезпечення, розробки єдиного математичного забезпечення й ін.

Для більшості АСУ особливо важливих значень має проблема надійності і живучості системи. АСУ повинна володіти здатністю компенсувати наслідки порушень і пошкодження окремих елементів системи.

Тому що АСУ є складною системою, у процесі її дослідження і розробки необхідно виділяти окремі її частини й елементи з метою обліку їхніх особливостей на етапах створення й експлуатації.

Всі АСУ складаються з наступних основних складових:

- органів керування (міністерство, заводоуправління і т.п.)

- людські колективи;

- економіко-організаційної моделі керування відповідним об'єктом (технологічним процесом, підприємством, галуззю і т.д.);

- технічних і інших засобів, що забезпечують реалізацію і функціонування зазначеної моделі.

У процесі декомпозиції елементів в АСУ виділяють функціональну й забезпечуючу частини. Склад цих частин регламентується ДСТ 24.003—84 і іншими керівними і методичними матеріалами по створенню АСУ.

Функціональна частина АСУ реалізує економіко-організаційну модель керування відповідним об'єктом і складається з комплексу адміністративних, організаційних і економіко-математичних методів, що забезпечують розв'язання задач планування, обліку й аналізу показників для прийняття управлінських рішень в АСУ.

Функціональна частина являє собою ряд підсистем, конкретний склад яких залежить від особливостей тієї чи іншої АСУ. Ці підсистеми виділяються за функціональною чи структурною ознакою і поєднують у собі відповідні комплекси задач керування.

Частина, що забезпечує АСУ (ДСТ 24.003—84) складається з інформаційного, лінгвістичного, технічного, програмного, математичного, правового, організаційного та ергономічного забезпечення

Лінгвістичне забезпечення АСУ включає сукупність мовних засобів, призначених для формалізації природної мови, побудови і сполучення інформаційних одиниць при спілкуванні персоналу АСУ із засобами обчислювальної техніки.

Лінгвістичне забезпечення АСУ містить наступні частини:

інформаційні мови для опису структурних одиниць інформаційної бази АСУ (документів, показників, реквізитів і т.д.);

мови керування і маніпулювання даними інформаційної бази АСУ;

мовні засоби інформаційно-пошукових систем;

мовні засоби систем автоматизації проектування АСУ;

діалогові мови спеціального призначення й інші мови;

системи термінів і визначень, використовуваних у процесі розробки і функціонування автоматизованих систем керування

Інформаційне забезпечення АСУ являє собою сукупність реалізованих рішень щодо обсягів, розміщення та форм організації інформації, що циркулює в АСУ при її функціонуванні.

Воно містить у собі наступний набір компонентів, що забезпечує функціонування АСУ:

- комплекс показників, необхідний для керування об'єктом;

- систему використовуваної документації і схеми її руху;

- класифікатори і кодифікатори техніко-економічної інформації;

- сукупність різними способами організованих інформаційних масивів;

- інструктивно-методичні матеріали організації і використання перерахованих вище компонентів

Основними вимогами, пропонованими до створюваного інформаційного забезпечення АСУ є:

- повне відображення об'єкта керування в системі показників;

- забезпечення необхідної вірогідності і точності значень показників;

- мінімізація витрат організації інформаційних процесів;

забезпечення своєчасності одержання, обробки і видачі інформації конкретним користувачам

Технічне забезпечення АСУ включає весь комплекс технічних засобів (технічні засоби збору, реєстрації, передачі, обробки, відображення, розмноження інформації, оргтехніку й ін.), що забезпечують роботу АСУ. Центральне місце серед них займає ЕОМ.

Структурними елементами технічного забезпечення є технічні засоби, методичні і керівні матеріали, технічна документація і персонал.

До складу технічних засобів входять засоби збору і реєстрації інформації; введення, обробки і виведення інформації; підготовки даних; передачі даних і лінії зв'язку; диспетчеризації і пристрої автоматичного знімання інформації, оргтехніки, допоміжне устаткування; експлуатаційні матеріали тощо.

Методичні і керівні матеріали умовно можна розділити на три частини: загальносистемні методичні матеріали, спеціалізовані керівні технічні матеріали і нормативно-довідкові документи. До складу загальносистемних методичних матеріалів входять державні і галузеві стандарти, що відносяться до технічного забезпечення АСУ. До складу спеціалізованих керівних технічних матеріалів входить комплекс взаємопов'язаних методик по всіх етапах розробки комплексу технічних засобів (попередній вибір, вибір засобів збору і реєстрації даних, засобів обробки та нагромадження інформації, засобів подання даних тощо).

Нормативно-довідкова документація використовується при виконанні розрахунків щодо технічного забезпечення Вона поділяється на довідкові матеріали по розробці комплексу технічних засобів та нормативні документи на виконання архітектурно-будівельної і суміжної частин проекту.

До довідкових матеріалів відносяться: номенклатура технічних засобів, що рекомендуються для АСУ, альбоми структурних схем взаємодії технічних засобів у різних технологіях, довідник об'ємно-тимчасових характеристик задач АСУ, довідник норм трудомісткості і вартості виконання різних операцій за допомогою технічних засобів тощо.

Технічною документацією оформляється попередній вибір комплексу технічних засобів, його структура, організація експлуатації й оргоснащення; засоби збору, реєстрації і передачі даних в АСУ; технологічний процес обробки даних в АСУ і технічне оснащення ОЦ. До неї також включаються заявочна відомість на технічні засоби і технічне завдання на розробку архітектурно-будівельної та інших частин проекту.

Персоналом технічного забезпечення називаються обслуговуючі його фахівці.

Програмне забезпечення АСУ являє собою сукупність програм, що реалізують цілі та задачі АСУ, а також комплексів технічних засобів даної системи, що забезпечують її функціонування.

До складу програмного забезпечення входять загальносистемні та спеціальні програми, а також інструктивно-методичні матеріали по застосуванню засобів програмного забезпечення.

До загальносистемного програмного забезпечення відносяться програми, орієнтовані на широке коло користувачів і призначені для організації обчислювального процесу та рішень типових задач обробки інформації. Вони використовуються для розширення функціональних можливостей ЕОМ, для автоматизації планування черговості обчислювальних робіт, контролю і керування процесом обробки даних, а також для автоматизації робіт програмістів.

Спеціальне програмне забезпечення являє собою сукупність програм, розроблювальних при створенні конкретної АСУ. Воно включає і пакети прикладних програм, що здійснюють організацію й обробку даних з метою реалізації необхідних функцій керування в рамках визначених економіко-математичних і організаційних моделей.

Інструктивно-методичні матеріали містять дані про програмне забезпечення

Ергономічне забезпечення АСУ складається з наступних комплексів:

комплекс різної документації, що забезпечує формулювання ергономічних вимог до робочих місць, а також вибір найбільш доцільних способів реалізації цих вимог і здійснення ергономічної експертизи рівня їхньої реалізації;

комплекс методів, навчально-методичних даних і технічних засобів підготовки, що забезпечують обґрунтування формулювання вимог до рівня підготовки персоналу, а також створення системи добору і підготовки персоналу АСУ;

комплекс методів і методик, що забезпечують високу ефективність діяльності людини в АСУ.

Ергономічне забезпечення припускає при експлуатації АСУ організацію збору інформації про оцінку діяльності персоналу з метою вдосконалення методики підготовки операторів до експлуатації АСУ, а також для обґрунтування вимог до її модернізації.

Обсяг робіт в області технологічних процесів і їхня економічна ефективність мають величезне значення для подальшого зростання економіки України. Автоматичні системи керування відрізняються від автоматизованих систем тим, що в них людина може виконувати тільки контрольні функції. Швидкість керування процесами виробництва обмежуються можливостями машин і апаратів, які з теоретичної і перспективної точок зору не обмежені, що можна інтерпретувати як необмежені можливості підвищення продуктивності суспільної праці. Задача в області автоматизації зводиться до технічних можливостей і економічних критеріїв ефективності.

Автоматизація технологічних процесів є засобом росту національного доходу і добробуту народу. Однак на шляху здійснення автоматизації процесів виробництва мається чимало різних труднощів. Насамперед, з кількісної сторони труднощі складаються у величезному обсязі робіт. Відомо, що в СНД уже зараз існує більш 50 тис. промислових підприємств. У кожнім з них маються десятки (а на великих підприємствах сотні) різних технологічних процесів, що у принципі можуть бути автоматизовані. Оскільки не всі процеси "дозріли" для автоматизації, а багато хто з них ще не механізовані, те першою проблемою на шляху автоматизації коштує правильний добір тих процесів виробництва, що дійсно можуть бути автоматизовані з одержанням про цьому належного економічного ефекту.

Варто також мати на увазі, що існують багато напрямків автоматизації: автоматичні і поточно-автоматичні лінії; комплексно-автоматичні лінії агрегатних верстатів; верстати з числовим програмним керуванням; автоматичні системи, керовані електронними машинами різних типів. У даній главі розглядається автоматизація технологічних (виробничих) процесів за допомогою систем, у яких використовуються (чи доцільно використовувати) елементи електронної техніки й ЕОМ.

Вибір системи автоматизації і технічних засобів для її здійснення являється іншою проблемою, тому що від її залежать працездатність і надійність дії системи і її економічна ефективність.

Одним з визначальних моментів вибору автоматичної системи є автоматичне моделювання самого технологічного процесу, без цього неможливо ні визначити, ні тим більше розрахувати систему з погляду її працездатності і надійності.

Розроблювачу АСУ ТП потрібно добре знати методи розрахунку систем керування процесами й устаткуванням. У цій главі дається опис технічних засобів, за допомогою яких можливо здійснювати автоматизацію процесу виробництва, зокрема цифрові й аналогові обчислювальні машини, а також гібридні аналогові комплекси. Кожної з цих зазначених машин і систем керування, побудованих на їхній основі, властиві особливості, переваги і недоліки.

Сучасні ЕОМ мають величезну швидкодію, мають розвиту оперативну і зовнішню пам'ять, що дозволяє з їх допомогою автоматизувати самі складні технологічні процеси. Сфера застосування ЕОМ в автоматизації виробничих процесів безупинно розширюється, особливе значення ці машини мають при автоматизації і процесів, що мають безліч параметрів і виконавчих механізмів, що вимагають синхронності в їхньому керуванні. Проте їм властиві і деякі недоліки, головними з який є відносно висока вартість машин і периферійного устаткування, недостатня в ряді випадку надійність, що викликає (в особливо відповідальних процесах) необхідність резервування ЕОМ, і, нарешті, складність потребуюча висококваліфікованих фахівців для їхнього обслуговування.

Аналогові обчислювальні машини також знаходять широке застосування в автоматизації технологічних процесів. Їх переваги:

- володіючи великою швидкодією, АОМ використовуються в процесах, де необхідно працювати в реальному масштабі часу;

- АОМ забезпечують можливість сполучення безпосередньо з апаратурою керованих об'єктів і систем;

- відносна простота АОМ дають можливість обслуговування менш кваліфікованим персоналом;

- АОМ мають досить високу надійність і стабільність у роботі;

- відносна простота АОМ визначає порівняно невисоку їхню вартість, що в підсумку позначається на економічній ефективності її використання.

Аналого-обчислювальна техніка використовується також для моделювання об'єктів і систем, навчання кадрів, контролю і керування деякими процесами.

Недоліками АОМ є порівняно мала точність рішень і алгоритмічна обмеженість, що випливає із самого принципу їхньої роботи.

Гібридні обчислювальні системи, утворені зі сполучень ЕОМ і АОМ. Вони одержали розвиток в останні роки в зв'язку зі швидким розширенням робіт в області автоматизації технологічних процесів і неминуче зв'язаним з цим ускладненням задач керування і підвищенням вимог до зазначеного системам. основному вимоги полягають у підвищенні швидкодії при забезпеченні необхідної динамічної точності.

Гібридна обчислювальна система складається з ЕОМ, цифрово-аналогових перетворювачів (ЦАП), АОМ і аналого-цифрових перетворювачів (АЦП).

При рішенні задачі побудови автоматичної системи керування деяким технологічним процесам приходитися зіштовхуватися з проблемами, багато з яких можна класифікувати як самостійні задачі.

У першу чергу виникає необхідність опису об'єкта керування, для чого в більшості випадків вироблятися ретельний аналіз фізичних, хімічних і інших процесів, що протікають в об'єкті, взаємодія яких породжує функціональний зв'язок вихідного сигналу у в із вхідним сигналом х і шумливим вектором , що відбиває наявність зовнішніх впливів.

У результаті такого аналізу одержують співвідношення (для простоти розглядається статистичний об'єкт), що, узагалі говорячи, може містити невідомі параметри ( коефіцієнти ), і тоді .

При наявності невідомих параметрів виникає задача їхньої оцінки на основі спостереження вхідного і вихідного сигналу. Тут є дві тенденції: ідентифікація в режимі нормальної експлуатації й активна ідентифікація. активна ідентифікація містить у собі планування і реалізацію оптимального експерименту і, природно, забезпечує набагато велику точність оцінок у порівнянні з ідентифікацією в режимі нормальної експлуатації при однаковому числі експериментальних замірів. Однак активне втручання у виробничий процес не завжди можливо. Постановка активного експерименту на виробництві найчастіше є дуже дорогою процедурою, а іноді і просто неприпустимої.

З цих причин останнім часом посилено розвиваються методи ідентифікації, що дозволяють робити оцінки тих чи інших параметрів на основі статистики входу і виходу, набраної в режимі нормальної експлуатації.

Ідентифікація об'єкта також спряжена з рішенням ряду специфічних задач. Як уже говорилося, перш ніж безпосередньо приступити до побудови моделі об'єкта, необхідно вибрати клас моделей. Вибір же класу моделей можна здійснити не тільки з фізичних розумінь, але і на основі аналізу наявної статистики, оцінюючи нелінійність об'єкта, стаціонарність і т.д.

Цікавою та важливою є задача вибору інформативних ознак, що звичайно дає можливість понизити розмірність вхідного сигналу і значно спростити систему керування.

Після визначення оператора об'єкта, а вірніше, після побудови моделі близької до об'єкта, зважується задача побудови системи керування. Тут виникає деяке розгалуження ідей і методів у залежності від мети і принципів керування, що лежать в основі розроблювальної системи. однієї з найбільш розповсюджених цілей керування є підтримка заданого режиму роботи об'єкта (стабілізація чи виходу відстеження впливу, що задає,). При цьому можуть використовуватися принцип зворотного зв'язку і принцип керування по впливанню. У більшості випадків будуються комбіновані системи, що використовують обидва принципи керування одночасно. Велику роль при конструюванні таких систем грають теорії інваріантості і чутливості, що дозволяють синтезувати систему керування, малочутливі до неконтрольованих змін деяких параметрів, що практично завжди має місце.

Метою керування може бути не тільки стабілізація виходу, але і екстремізація критерію якості роботи системи в цілому. Наприклад, можна задатися метою максимізувати доход, домогтися найкращої вихідної якості продукту, зробити мінімальним час перехідного процесу і т.д. Незважаючи на розходження змістовних інтерпретацій і перерахованих задач, усі вони в загальній постановці зводяться до мінімізації деякого функціонала. Для рішення задач оптимального керування за останнім часом розроблено досить багато теоретичних методів. Багатство методів, тобто відсутність єдиного погляду на постановку і рішення задачі оптимального керування, з одного боку, відбиває деяку незавершеність теоретичних досліджень у цьому напрямку, з іншої, грає визначену позитивну роль, дозволяючи за рахунок обмеження полючи зору краще враховувати специфіку розв'язуваного класу задач.

Серед методів, призначених для рішення задач оптимального керування варто скасувати принцип максимуму, динамічне програмування, аналітичне конструювання регуляторів, використання систем з перемінною структурою, статистичний підхід А.А. Красовского до дослідження перехідних процесів, теорія дуального керування й ін.

Теорія дуального керування займає відособлене місце в цьому переліку, оскільки орієнтується на рішення дуже специфічної задачі керування в умовах початкової невизначеності. Стругаючи постановка і рішення задач у цій області приводять до досить складних обчислювальних алгоритмів, тому велике практичне поширення одержали адаптивні алгоритми, що забезпечують асимптотичне прагнення параметрів, що підбудовуються, до оптимальних, але не забезпечують оптимального ходу процесу навчання. Теорія адаптивних систем, що розвивається в, дійсний час базується в основному на роботах по збіжності стохастичних ітеративних процесів. Найбільш ефективне застосування адаптивні алгоритми знаходять поки в задачах ідентифікації і розпізнавання образів. Задачі ж розпізнавання образів (класифікація) мають безпосереднє відношення до керування технологічними процесами при виробленні дискретних керуючих впливів.

Практичне втілення синтезованої системи керування зв'язано з рішенням цілого кола задач технічного порядку: вибір аналогової чи цифрової техніки для реалізації знайдених алгоритмів керування, визначення і забезпечення необхідних вимог до обчислювальної й аналогової техніки і т.д.

Велика кількість літератури, в якій описуються працюючі системи автоматичного керування, свідчать не тільки про теоретичний, але і про практичну цінність розроблювальних методів. У той же час слід зазначити, що в більшості реалізованих систем керування поки слабко використовуються новітні досягнення. Недостатньо повно використовуються можливості теорії оптимальних систем, адаптивних алгоритмів і обчислювальної техніки.

В основних напрямах економічного і соціального розвитку країни поставлено завдання розвивати виробництво електронних пристроїв регулювання і телемеханіки, виконавчих механізмів, приладів і датчиків систем комплексної автоматизації складних технологічних процесів, агрегатів, машин і устаткування. Досвід, накопичений при створенні автоматизованих і автоматичних систем управління, показує, що управління різними процесами грунтується на низці правил і законів, частина з яких виявляється загальною для технічних пристроїв, живих організмів і суспільних явищ. Вивчення процесів управління, отримання, перетворення інформації в технічних, живих і громадських системах складає предмет кібернетики, важливим розділом який є технічна кібернетика, включаючи аналіз інформаційних процесів управління технічними об'єктами, синтез алгоритмів керування та створення систем керування, що реалізують ці алгоритми. Технічна кібернетика покликана вирішувати завдання теоретичного аналізу та розвитку методів технічного конструювання елементної бази систем управління.

Теорія автоматичного регулювання та керування належить до числа наукових дисциплін, що утворюють в сукупності науку про управління. На початку вона створювалася з метою вивчення закономірностей у процесах автоматичного управління технічними процесами - виробничими, енергетичними, транспортними і т.п. . В даний час основне значення теорія автоматичного регулювання та управління має для вивчення технічних процесів, хоча в останні роки її висновками і результатами починають користуватися для вивчення динамічних властивостей систем управління не тільки технічного характеру. Для здійснення автоматичного управління створюється система, що складається з керуючого об'єкта і тісно пов'язаного з ним керуючого пристрою. Система повинна бути здатна виконувати приписане їй програму дій, незважаючи на неминучі перешкоди з боку зовнішнього середовища.

В. В. Казакевичем, А. П. Юркевичем, О. А. Фельдбаумом, А. А. Красовським та іншими були сформульовані і досліджені принципи екстремального керування і розроблена теорія екстремальних систем та пошуку дуального управління, що здійснює пошук показника екстремуму якості роботи системи. Роботами А. О. Фельдбаума, Л. С. Понтрягіна, М. М. Красовського і багатьох інших створено теорії оптимального управління, в яких досліджуються управляючі дії, що забезпечують максимальне значення функціонала, що виражає техніко-економічну ефективність динамічного процесу управління.

Динамічно керовані процеси мають місце в живих організмах, в економічних і організаційних людино-машинних системах. Закони динаміки в них не є основними принципами управління, як це властиво технічним системам, але тим не менше їх вплив найчастіше істотний. В автоматизованих системах управління (АСУ) технологічними процесами роль динаміки безперечна, але вона стає все більш очевидною і в інших сферах дії АСУ в міру розширення їх не тільки інформаційних, але і керуючих функцій

Щоб здійснювати автоматичне керування або будувати систему управління, потрібні знання двоякого виду: по-перше, конкретні знання даного процесу, його технології і, по-друге, знання принципів і методів управління, загальних для найрізноманітніших об'єктів і процесів. Конкретні спеціальні знання дають можливість встановити, що і, головне, як слід змінювати в системі, щоб отримати необхідний результат. При автоматизації управління технічними процесами виникає необхідність у різних групах операцій управління. До однієї з таких груп відноситься операція початку (включення), припинення (відключення) даної операції і переходу від однієї операції до іншої (перемикання). Для правильного і якісного ведення процесу деякі з його координат - керовані - повинні підтримуватися в певних межах або змінюватися за певним законом. Інша група операцій управління пов'язана з контролем за координатами з метою встановлення допустимих меж. Ця група операцій полягає у вимірюванні значень координат і представлення результатів вимірювання в зручній для людини-оператора формі. Третя група операцій управління - операції з підтримання заданого закону зміни координат - вивчається в теорії автоматичного управління. Кожен об'єкт, що володіє масою, є динамічним, оскільки під дією зовнішніх сил і моментів (кінцевої величини) з боку об'єкта виникає відповідна реакція його положення (чи стану) не може бути змінено миттєво. Змінні x, u і f (де x - сукупність керованих координат процесу, u - впливу чи управління, прикладаються до об'єкта, і f - збурення діють на вхід об'єкта) в динамічних об'єктах зазвичай пов'язані між собою диференціальними, інтегральними або різницевими рівняннями, що містять в Як незалежної змінної час t. Зміни координат в нормальному, бажаному процесі визначається сукупністю правил, інструкцій чи математичних залежностей, званих алгоритмом функціонування системи. Алгоритм функціонування показує, як повинна змінюватися величина x (t) за вимогами технології, економіки або з інших міркувань. У теорії автоматичного управління алгоритми функціонування вважаються заданими. Динамічні властивості і форма статичних характеристик вносять спотворення: дійсний процес буде відрізнятися від бажаного (який, наприклад, при тих же впливах мав би місце в безинерціонной лінійному об'єкті). Тому необхідний закон зміни управління u, або алгоритм управління, не є аналогічним алгоритмом функціонування, він буде залежить від алгоритму функціонування, динамічних властивостей і характеристик об'єкта. Алгоритм управління показує, як має змінюватися управління u, щоб забезпечити заданий алгоритм функціонування. Алгоритм функціонування в автоматичній системі реалізується за допомогою керуючих пристроїв. В основі використовуваних в техніки алгоритмів керування лежать деякі загальні фундаментальні принципи управління, що визначають, як здійснюється ув'язка алгоритму управління із заданим і фактичним функціонуванням, або з причинами, що викликали відхилення. Використовується три фундаментальні принципи: розімкнутого управління, зворотного зв'язку та компенсації.

Принцип розімкнутого управління. Сутність принципу полягає в тому, що алгоритм управління будується тільки на основі заданого алгоритму функціонування і не контролюється за фактичним значенням керованої величини.

Принцип управління за відхиленням (Принцип зворотного зв'язку) Цей принцип є одним з найбільш ранніх і широко поширених принципів управління. Відповідно до нього вплив на регулюючий орган об'єкта виробляється як функція відхилення регульованої величини від запропонованого значення. Зворотний зв'язок можна знайти у багатьох процесах в природі. Прикладами можуть служити вестибулярний апарат, який виявляє відхилення тіла від вертикалі і забезпечує підтримання рівноваги, системи регуляції температури тіла, ритму дихання і т.п. У громадських установах зворотній зв'язок при управлінні встановлюється за допомогою здійснення контролю виконання. Принцип зворотного зв'язку є досить універсальним фундаментальним принципом управління, що діє в техніці, природі і суспільстві.

Принцип регулювання за збуренням (Принцип компенсації) Так як відхилення регульованої величини залежить не тільки від управління, а й обурює впливу, то в принципі можна сформулювати закон управління так, щоб в усталеному режимі відхилення відсутнє. Принцип регулювання парової машини по моменту опору на її валу був запропонований у 1930 р. французьким інженером І. Понселе, однак реалізувати цю пропозицію на практиці не вдалося, оскільки динамічні властивості парової машини не допускали безпосереднього використання принципу компенсації. Але в ряді інших технічних пристроїв принцип компенсації використовувався давно.

Системи регулювання за збуренням в порівнянні з системами, що діють за відхиленням, відрізняються звичайно великими стійкістю і швидкодією. До їх недоліків відносяться труднощі вимірювання навантаження в більшості систем, неповний облік збурень (компенсуються тільки ті обурення, які вимірюються). В багатьох випадках дуже ефективним є застосування комбінованого регулювання за збуренням і відхиленню, широко використовується для регулювання напруги потужних синхронних генераторів на великих електростанціях (компаундування з корекцією). Комбіновані регулятори об'єднують достоїнства двох принципів, але, природно, конструкція їх складніше, а вартість вище.

Основні види алгоритмів функціонування З давніх часів у системах автоматичного управління використовувався алгоритм функціонування, званий стабілізацією - підтримкою постійного заданого значення регульованої величини. Пізніше з'явилися алгоритми типу програмного управління - підтримки заданої функції часу - і стежить управління - відтворення невідомою заздалегідь функції. В останні десятиліття з'явилися нові, більш тонкі алгоритми функціонування. Розглянемо основні з них.

Екстремальне управління В ряді процесів показник якості, або ефективність, виражається в кожен момент часу функцією поточних координат системи. При цьому управління може вважатися нормальним, якщо воно забезпечує утримання показника якості в точці максимуму. Прикладом може служити настройка приймальні станції на частоту передавальної за найбільшою гучності прийому або найбільшої яскравості світіння індикаторної лампочки. Точка екстремуму під впливом різних збурень зміщується в якомусь певному напрямку, але при цьому невідомо, в якому саме напрямку слід впливати на регулюючий орган, щоб повернути систему до екстремуму. Для екстремального управління виконуються спочатку невеликі пробні рухи, потім аналізується реакція на них системи та за результатами аналізу виробляється керуючий вплив.

Ще один фундаментальний принцип - оптимального управління - в останні роки почав застосовуватися як у технічних системах для підвищення ефективності виробничих процесів, так і в системах організованого управління для вдосконалення діяльності підприємств, установ, галузей народного господарства. Принцип оптимального керування можна застосувати в процесах, показник ефективності яких залежить не тільки від поточних значень координат, але і від характеру їх зміни в минуле, сьогодення і майбутнє; показник ефективності виражається деяким функціоналом від координат або від часу. Знаходження оптимального управління в подібних завданнях вимагає рішення в процесі управління досить складною математичної задачі методами варіаційного обчислення або математичного програмування. Таким чином, органічною частиною систем оптимального управління стає обчислювальна машина.

Принцип адаптації В управлінні починає використовуватися принцип адаптації. він застосовується тоді, коли параметри системи під впливом зовнішніх факторів змінюються непередбачених заздалегідь чином настільки сильно, що рух системи зазнає суттєві якісні зміни. При цьому розглянуті вище принципи управління вже не дають можливості забезпечити нормальне функціонування системи і необхідно в процесі управління змінювати параметри і навіть структуру системи

Класифікація систем автоматичного управління.Системи автоматичного управління класифікуються за різними ознаками. За характером зміни керуючого впливу розрізняють системи автоматичної стабілізації, програмного регулювання і слідкуючі системи. По виду переданих сигналів виділяють системи безперервні, з гармонійною модуляцією, імпульсні, релейні і цифрові. За способом математичного опису, прийнятого при дослідженні, виділяють лінійні і нелінійні системи. Обидві групи можуть бути представлені безперервними, дискретними і дискретно-неперервними системами. По виду контрольованих змін своїх властивостей розрізняють непріспосаблівающіеся і пристосовуються (адаптивні) системи. В останньому класі можна виділити які самостійно системи з самонастроювання параметрів або впливів і самоорганізуються, з контрольованими змінами структури. У залежності від приналежності джерела енергії, за допомогою якого створюється керуючий вплив, системи можуть бути прямого і непрямого дії. У системах прямої дії використовується енергія керованого об'єкта. До них відносяться прості системи стабілізації (рівня, витрати, тиску і т.п.), в яких сприймає елемент через систему важеля безпосередньо діє на виконавчий орган (заслінку, клапан і т.д.). У системах непрямої дії керуючий вплив створюється за рахунок енергії додаткового джерела.

Системи автоматичної стабілізації, програмного регулювання і слідкуючі системи. Системи автоматичного регулювання в залежності від характеру зміни керуючого впливу поділяються на три каса. Розрізняють системи автоматичної стабілізації, системи програмного регулювання і слідкуючі системи. Системи автоматичної стабілізації характеризуються тим, що в процесі роботи системи керуючий вплив залишається величиною постійною. Основним завданням системи автоматичної стабілізації є підтримання на постійному рівні з допустимою помилкою регульованої величини незалежно від діючих збурень. Діючі обурення викликають відхилення регульованої величини від запропонованого їй значення. Відхиленням регульованої величини називається різниця між значенням регульованої величини в даний момент часу і її значенням, прийнятим за початок відліку. Поняття відхилення регульованої величини є характерним для систем автоматичної стабілізації і дозволяє дати якісну оцінку динамічним властивостями систем цього класу Системами автоматичної стабілізації є різного роду САР, призначені для регулювання швидкості, напруги, температури, тиску, наприклад, стабілізатор курсу літака і т.д. Системи програмного регулювання відрізняються тим, що управляє вплив змінюється за заздалегідь встановленим законом у функції часу або координат системи. Про точність відтворення керуючого впливу на виході системи відтворення судять за величиною помилки, яка визначається різниця між керуючим впливом і регульованою величиною в даний момент часу. Прикладом систем програмного регулювання можуть служити системи управління копіювально-фрезерним верстатом. В системах, що стежать, керуючий вплив також є величиною змінною, але математичний опис його в часі не може бути встановленим, оскільки джерелом сигналу служить зовнішнє явище, закон зміни якого заздалегідь невідомий. Як приклад системи стеження можна вказати на радіолокаційну станцію автоматичного супроводу літака. Так як системи стеження призначені для відтворення на виході керуючого впливу з можливо більшою точністю, то помилка, так само як і у випадку систем програмного регулювання, є тією характеристикою, за якою можна судити про динамічні властивості системи стеження. Помилка в системах, що стежать, як і в системах програмного регулювання, є сигналом, в залежності від величини якого здійснюється управління виконавчим двигуном.