Технические системы и управление ими

Введение
Создание условий, обеспечивающих требуемое протекание любого процесса, называется управлением. Механизм или система, которая обеспечивает заданный процесс, называется объектом управления. В управлении техническими системами, или теории автоматического управления, не рассматриваются конструкции систем. Работа системы заменена математической моделью.
Управление техническими системами, или теория автоматического управления, представляет область науки и техники, охватывающая принципы построения систем управления, действующих без непосредственного участия человека.
Актуальность данной работы обусловлена ​​интересом к характерным особенностям развития современных управляемых технических систем.
Целью данной работы является рассмотрение и изучение оценки допустимого управления техническими системами в теории автоматического регулирования. Предметом исследования выступают технические системы, в которых существует в процессе управление.
Среди поставленных задач можно выделить следующие:
- определить понятие технических систем и сущность их управления;
- рассмотреть специфические функции, классификацию и принципиальные подходы при анализе систем управления;
- дать подробное описание теоретических положений систем управления;
- изучить механизмы расчета систем автоматического управления и их элементов;
- исследовать влияние и воздействие особенностей в управлении техническими системами.
ПОНЯТИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В истории человечества XX век характеризуется бурным комплексным развитием технических исследований и науки, которые оказывают решающее влияние на дальнейшую стратегию технического прогресса. Весь опыт развития техники, механики, математики и естественных наук прошедших веков благотворно отразился на прогрессе технологий. Однако только в последние десятилетия в полной мере была осознанно развита наука об управлении объектами и процессами различной природы.
Область применения теории управления в технике очень обширна, как и различны связанные или независимые разделы науки управления. Характерно, что на сегодняшний день все отрасли науки управления используют один и тот же методологический подход - системный анализ. Используя концепции системного анализа, можно обнаружить общее поведение биологической системы с ее средой или найти те же модели поведения социальных систем по сравнению с некоторой технологической системой или процессом. В то же время системный подход позволяет определить существенную разницу между простыми системами управления и структурными многоуровневыми системами. [6]
Особенностью современных технических систем является широкое использование микропроцессорных устройств в замкнутом контуре управления, что позволяет заменить физическую реализацию требуемого закона управления в устройствах управления требуемым программируемым алгоритмом управления, что дает такой технической системе универсальность и гибкость не достигаются с помощью традиционной физической реализации устройства управления.
Непосредственно технические системы - это искусственно созданные объекты, предназначенные для удовлетворения определенных потребностей человека (машины, аппараты, устройства, конструкции, ручные инструменты, их элементы в виде блоков и прочее). [5]
Основные свойства и характеристики технических систем
Под технической системой понимают множество элементов изделий, образующих определенную целостность, единство.
Технические системы создаются для строго определенных целей использования, и свои функции они могут выполнять, только если:
- их действие обеспечено энергоресурсами, маслами и смазками для машин, материалами, предназначенными для переработки системой в конечный продукт и другие;
- внешняя среда способствует функционированию системы;
- предопределенное поведение систем сохраняется в течение всего их жизненного цикла.
Техническая система имеет жесткие свойства и действует в соответствии с чёткой и неизменной структурой, не допуская отклонений и ограничений и строго определенных вариантов в выборе решений. [4]
В отличие от биологических организмов, технические системы не могут существовать независимо, поскольку любое устройство как технологическая система потенциально готово оказать полезный эффект. Однако для того, чтобы техническая система начала функционировать в процессе взаимодействия с внешней средой, изменения ее состояния и создания полезного эффекта, необходимо внешнее управляющее действие.
В неавтоматических системах человек выступает в качестве субъекта управления как оператор или диспетчер, который может использовать различные методы управления действием, включая механический (гидравлический или пневматический привод), электрический (изменение величины, напряжения или частоты переменного тока, комбинации электрических импульсов), по телефону или с использованием другого устройства связи, если объект управления имеет непосредственных исполнителей. Для того, чтобы управлять объектом целесообразно, оператор с помощью приборов или через исполнителей по каналу обратной связи получает информацию о его состоянии, сравнивает ее с требуемым режимом работы, и в случае необходимости посылает на объект управления корректирующие или регулирующие сигналы. [2]
Сейчас во многих технических системах в качестве регулятора используются компьютеры (от англ. computer - ‘вычислитель’). Компьютер в качестве регулятора способен быстро обрабатывать информацию и четко реагировать на изменения в объекте управления; при этом в случае необходимости существует возможность корректировки выполняемой программы (перепрограммирования).
Виды описаний технических систем
Для того чтобы получить наиболее полное описание сложной технической системы, она должна быть составлена ​​с разных позиций. Из множества аспектов описаний целесообразно выделить пять основных и наиболее потребляемых, а именно: структурный, функциональный, кибернетический, временный и технологический.
Другие аспекты, например, экономические, эстетические, эргономические и другие, могут использоваться для составления описаний, которые имеют специальное назначение. [5]
Конструкционное описание должно давать представление о строении (структуре) системы, ее форме (конфигурации), материалах, из которых изготовляются части системы, веществах, используемых как рабочие.
Структура сложной системы, что рассматривается при конструкционном описании, есть, как правило, иерархической по составу; при этом связи, используемые для описания структуры, характеризуют взаимное положение подсистем, а также их принадлежность к тому или другому уровню иерархии. Разбивка системы на уровне может производиться исходя из конструктивных или технологических рассуждений. Например, до одного уровня могут принадлежать все агрегаты двигателя, к другому - сборочные единицы, к третьему - детали.
Основным традиционным способом описания формы (конфигурации) технических систем является использование эскизов, чертежей, словесных описаний. Создание автоматизированных систем проектирования затребовало разработку специальных языков и методов цифрового описания форм разных геометрических поверхностей, взаимного положения элементов конструкций, пригодных для введения информации на компьютерах.
Конструкционное описание не дает представления о свойствах системы в процессе тех работ, для выполнения которых она должна использоваться

. Для этих целей необходимое функциональное описание, которое состоит из описаний последовательности состояний системы под воздействием надсистем (или внешней среды) и описаний процессов, которые определяют эти состояния. [3]
Основным способом описания процессов, которые имеют место в системе, есть их разложение на элементарные, например процессы теплообмена, превращения энергии в соответствии с физическими законами. Это внутренний способ функционального описания. Внешним способом является представление процессов либо в виде семейства характеристик функционирования, либо в виде совокупности численных значений параметров системы, соответствующих одному ее состоянию. Характеристиками функционирования называются зависимости численных значений параметров системы от показателей, которые определяют ее состояние в процессе функционирования. Скоростные характеристики нагрузок двигателя - типичный пример характеристик его функционирования. [7]
Знание характеристик функционирования необходимо для исследования систем, для прогноза их поведения в разных ситуациях, а также для сравнения систем между собой. В частности, сравнение с системой, принятой за эталон, нередко используется для определения степени кондиционности исследуемой системы.
В связи с тем, что особенности функционирования технических систем во многом определяются законами и средствами управления ими, целесообразно выделить отдельный аспект описанию - кибернетический, целью которого является выявление структуры управления, а также характеристик функционирования системы в процессе управления. Очевидно, что техническую систему, в структуре системы управления которой есть уровни оптимального адаптивного и иногда комплексного управлений, можно считать кибернетической.
Иными словами, кибернетические системы - это системы любой природы, то есть технические, биологические, экономические, социальные и прочие. Непосредственно техническая кибернетика определяет направление, в котором на основе единых для кибернетики в целом научных идей и методов изучаются технические системы управления. [6]
Для того, чтобы систему изготовить, необходимо не только конструкционное, но и технологическое описание. Строго говоря, технологическое описание является описанием только данной технической системы, это, прежде всего описание результатов функционирования производственной системы, в пределах которой данная система изготовляется. Но если учесть, что в большинстве случаев конструкция технической системы и особенности ее функционирования определяются технологией производства, становится очевидной необходимость включения технологического описания в круг аспектов описания систем. Технологическое описание должно включать описание технологических операций обработки материалов, из которых изготовляется система, технологии испытаний подсистем и всей системы и т.д. Технологическое описание должно выполняться в соответствии с Единственной системой технологической документации.
УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ
Управление техническими системами как дисциплина инженерного цикла для инженеров-механиков основывается на разделах высшей математики, теоретической механики, общей физики, теории машин и механизмов, электротехники, гидравлики. В свою очередь, знания, полученные при изучении управления техническими системами, используются в таких дисциплинах, как технологическое оборудование, приводы технологических машин, диагностика технологического оборудования, математическое моделирование техническими системами технологических процессов. [5]
Материальный носитель, выступающий в качестве технической системы, может иметь различные параметры, которые представлены в виде механического, химического, электрического, электромагнитного и многих других типов воздействий на объект управления. Этот эффект воздействует непосредственно на объект управления, если нет определенных помех, и вызывает программируемую реакцию, которая изменяет сами значения и параметры, которые характерны для состояния объекта управления и сигналов, посылаемых техническими системами.
Непосредственно в теории управления техническими системами сигнал принимает форму интерпретаций команды, распоряжения, приказа, инструкции и других типов, означающих, что все вышеперечисленные параметры, которые могут представлять объект управления, предназначены для предварительного, дополнительные действия. Реальное значение заключается в том, что содержание сигналов интерпретируется просто как задача для системы, которая уже содержит все компоненты, необходимые для перевода объектов управления в требуемое состояние. [1]
Управление техническими системами является одним из разделов технической кибернетики (от греческого kyberuetike - искусство управления), представляющих науку управления, получения, передачи и преобразования информации в кибернетических системах.
Проблемы управления техническими системами изучаются в рамках технических наук, в том числе системотехники и информатики, а также в рамках инженерной психологии и эргономики. [2] В частности, в рамках инженерной психологии исследуются проблемы распределения функций между человеком и автоматическими системами, в том числе с искусственным интеллектом; особенности совместной деятельности операторов, коммуникационные процессы и информационное взаимодействие между ними; изучаются процессы получения человеком информации и сенсорные «входы» человека, а также формирование команд для выполнения человеком контрольных действий, характеристики речи и моторного «выхода»; анализируются процессы обработки информации человеком, хранения и принятия решений, психологические механизмы регулирования деятельности операторов и прочее.
Классификация систем управления
Существующая классификация систем управления, использующую в качестве критерия степень участия человека в реализации управленческих воздействий, включает в себя три вида управления: технические; эргастические и организационные системы.
Технические системы функционируют без участия человека. К ним относят автоматические комплексы устройств. Особенность управления техническими системами заключается в их предсказуемости, программируемости, и, следовательно, - заданной степени точности и уровня качества. Учесть влияние внешней среды в таких системах можно с помощью заданной вероятности влияния ее факторов или с помощью встраиваемого механизма адаптации (самонастраивающиеся, обучаемые системы, например вездеход).
В эргастических (человеко-машинных) системах наряду с машинами участвуют люди (оператор или группа операторов). Они принимают управленческие решения и координируют, контролируют работу автоматизированных систем. Управление эргастическими системами должно учитывать "человеческий фактор" - психоэмоциональные, физиологические особенности сотрудников