§ 7. Информационные модели в задачах управления

Определения и обозначения

Управление — целенаправленное воздействие на объект для достижения заданного состояния или результата. В отличие от случайного влияния, оно связано с заранее поставленной целью. Это понятие помогает определить, ради чего система выполняет действия и по какому признаку оценивать результат.

Система управления — совокупность объекта управления, управляющего устройства, каналов передачи информации и обратной связи. Объект — то, состояние чего нужно изменить или поддерживать, а управляющее устройство выбирает действия. Такое представление помогает разделить роли элементов и понять, как сведения и команды проходят по системе.

Информационная модель — описание объекта управления, его состояний, связей, параметров и правил изменения в форме, пригодной для анализа и принятия решений. Она не обязана перечислять все свойства реального объекта, а сохраняет лишь значимые для задачи. Такая модель позволяет заранее продумать действия и представить их в виде алгоритма.

Обратная связь — передача информации о текущем состоянии объекта управляющему устройству для сравнения с заданным состоянием и корректировки воздействия. Благодаря ей можно узнать, к чему привела команда, а не только отправить её. Это необходимо, когда условия меняются или объект реагирует не совсем так, как ожидалось.

Как это устроено

Управление начинается с цели, потому что без неё нельзя решить, какое состояние считать нужным. Текущее состояние объекта сравнивают с заданным, например фактическую температуру — с выбранной. Если состояния различаются, выбирают воздействие, которое должно уменьшить разницу. После этого результат снова оценивают, чтобы понять, достигнута ли цель.

В системе управления объект изменяется под действием команд, поэтому его нельзя смешивать с устройством, которое эти команды выбирает. Датчики измеряют параметры объекта, например температуру или уровень жидкости. Каналы передают измерения управляющему устройству, а команды идут к исполнительному механизму, который физически меняет состояние объекта. Такое разделение нужно, чтобы выяснить, где система получает сведения и где выполняет действие.

Для построения информационной модели сначала определяют, какие параметры влияют на достижение цели. Затем перечисляют возможные состояния объекта и внешние воздействия, способные изменить его поведение. Наконец, задают правила перехода: что произойдёт при каждом сочетании состояния и воздействия. Модель получается полезной, если по ней можно выбрать действие, а не просто описать объект.

В разомкнутой системе команда задаётся без учёта результата: устройство не получает или не использует сведения о том, что произошло с объектом. Такой вариант подходит, если условия предсказуемы и повторяются. В замкнутой системе датчики сообщают текущее состояние, поэтому управляющее устройство может сравнить его с целью и изменить команду. Это нужно, когда на результат влияют изменения среды или непредсказуемая реакция объекта.

Чтобы получить алгоритм управления, из модели выделяют состояния и условия, по которым их различают. Для каждого условия указывают действие: например, если уровень ниже нижней границы — включить насос, а если достиг верхней — выключить. Затем проверяют, охватывают ли правила все нужные случаи и не противоречат ли друг другу. Проверка нужна, чтобы алгоритм действительно доводил объект до цели, а не оставлял его в неопределённом состоянии.

Элементы системы управления и их назначение

Пользуясь таблицей, сначала определите, что именно нужно изменить и какой результат считается целью. Затем проследите путь информации от датчика к управляющему устройству и путь команды к объекту. Так легче не перепутать измерение состояния с воздействием на него.

Разбор задач

Температура в помещении

Условие. Нужно определить элементы системы автоматического поддержания температуры. Требуется назвать цель, объект, датчик, управляющее устройство, исполнительный механизм и канал обратной связи. Разложение системы на элементы показывает, кто измеряет состояние, кто принимает решение и что выполняет команду.

1. Формулируем цель: поддерживать температуру на заданном уровне, например 22 °C.
2. Определяем объект: воздух в помещении, температуру которого нужно изменить или сохранить.
3. Находим датчик и устройство принятия решения: датчик измеряет температуру, а термостат сравнивает её с заданным значением.
4. Определяем исполнительный механизм и обратную связь: нагреватель меняет температуру, а показания датчика передаются термостату по каналу связи.

Ответ. Цель — заданная температура; объект — воздух в помещении; датчик — термодатчик; управляющее устройство — термостат; исполнительный механизм — нагреватель. Канал обратной связи передаёт термостату показания датчика, чтобы тот мог включать или выключать нагрев.

Уровень воды в баке

Условие. Уровень воды должен оставаться между 40 и 60 см. При снижении уровня включается насос, а при достижении верхней границы насос выключается. Нужно задать состояния и правило, уделив внимание границам диапазона.

1. Выбираем параметр модели: высота уровня воды в сантиметрах, измеряемая датчиком.
2. Выделяем состояния: уровень ниже 40 см, уровень от 40 до 60 см включительно и достижение 60 см.
3. Задаём действия: при уровне ниже 40 см включить насос; при достижении 60 см выключить его; внутри диапазона не менять команду без необходимости.
4. Проверяем границы: при 40 см насос не должен включаться только на основании условия «ниже 40», а при 60 см он уже должен выключиться.

Ответ. Модель связывает измеренный уровень с состоянием насоса. Условие включения — уровень меньше 40 см, условие выключения — уровень достигает 60 см; между границами сохраняется текущее состояние насоса.

Светофор и датчики движения

Условие. Нужно разработать алгоритм светофора, который учитывает очереди машин на направлениях перекрёстка. Если очередь на одном направлении увеличивается, разрешающий сигнал для него следует продлить. Для этого модель должна учитывать не только текущий сигнал, но и показания датчиков движения.

1. Выбираем параметры: направление движения, длина очереди по показаниям датчиков и время разрешающего сигнала.
2. Задаём состояния: какое направление получило зелёный сигнал и какова его очередь по сравнению с очередью на другом направлении.
3. Если датчик показывает рост очереди на направлении с зелёным сигналом, продлеваем его в пределах безопасного максимального времени; затем переключаем сигнал.
4. Если большая очередь обнаружена на направлении с красным сигналом, учитываем её при выборе длительности следующего разрешающего интервала. Проверяем, что алгоритм не отменяет обязательные безопасные интервалы переключения.

Ответ. Алгоритм использует обратную связь от датчиков и меняет длительность разрешающего сигнала в зависимости от очередей. Для полноценной модели нужно задать допустимое максимальное время и безопасную последовательность сигналов, иначе продление может задержать другие направления или нарушить безопасность.

Типичные ошибки

Путают управляющее устройство с объектом управления. Так происходит, если не разделять того, кто принимает решение, и того, на кого направлено воздействие. Проверьте себя вопросами: «Что меняют?» и «Кто выбирает команду?» — ответы должны называть разные роли.

Считают обратной связью любое сообщение о результате. Простая передача сведений ещё не означает, что система использует их для изменения действий. Чтобы проверить ответ, выясните, поступают ли сведения управляющему устройству и корректирует ли оно по ним дальнейшие команды.

Включают в модель все свойства объекта. Обилие деталей кажется признаком точности, но мешает увидеть параметры, от которых зависит решение. Оставляйте свойства, влияющие на цель или выбор действия, и проверяйте, можно ли с моделью составить правило управления.

Задают действие без условия его применения. Тогда алгоритм не понимает, в какой момент включить механизм или сменить команду. Для самопроверки найдите у каждого действия условие и проверьте, что описаны важные состояния и граничные значения.

Связь с другими темами

Для работы с темой нужны понятия информации, информационной модели и алгоритма, а также переменная и условие. Переменная хранит значение параметра объекта, например температуру, а условие помогает сравнить это значение с целью. Это позволяет описывать не только систему, но и правила выбора действия.

В алгоритмизации состояния объекта удобно описывать с помощью ветвлений, а повторяющиеся действия — с помощью циклов. Например, система может снова измерять температуру и выбирать команду, пока не будет достигнут нужный уровень. Так модель превращается в программу или последовательность команд.

Эти идеи применяются в автоматических устройствах, робототехнике, диспетчерских системах и моделировании процессов. Во всех случаях нужно получать сведения о состоянии объекта и выбирать действия по заданным правилам. Понимание модели помогает проектировать такие системы и оценивать их поведение.

Что запомнить

• Управление направлено на достижение заданной цели.
• Система управления включает объект, управляющее устройство и информационные связи.
• Информационная модель содержит только существенные для управления параметры и связи.
• Обратная связь позволяет сравнивать фактическое состояние с заданным.
• Разомкнутая система не использует сведения о результате воздействия.
• Алгоритм управления связывает состояния объекта с управляющими действиями.