1.1. Автоматизированные и автоматические системы управления

Определения и обозначения

Система управления — совокупность объекта управления и управляющего устройства, воздействующих друг на друга для достижения заданной цели. Объектом может быть помещение, станок или другой процесс, которым нужно управлять. Это понятие помогает увидеть в системе не один прибор, а связанные части, выполняющие общую задачу.

Автоматическая система управления — система, в которой управляющее устройство выполняет управление без непосредственного участия человека. Например, регулятор может сам включать отопление, когда температура падает. Такое определение нужно, чтобы отличать самостоятельную работу устройства от управления, при котором человек постоянно выбирает действия.

Автоматизированная система управления — система, в которой управление выполняется с помощью технических средств, но человек участвует в принятии решений или контролирует их. Компьютер может собирать данные и показывать оператору, а оператор выбирает режим работы. Понятие помогает описать совместную работу человека и техники, не называя её полностью автоматической.

Обратная связь — передача сведений о текущем состоянии объекта управления обратно в управляющее устройство для уточнения управляющего воздействия. Например, после включения нагревателя датчик сообщает, стала ли температура выше. Благодаря этим сведениям устройство может продолжить нагрев или остановить его, а не действовать вслепую.

Как это устроено

Управление начинается с цели: сначала нужно определить, какого состояния требуется добиться. Например, для комнаты можно задать температуру, которую нужно поддерживать. Без заданного результата невозможно понять, какую команду считать подходящей и когда её следует изменить.

Затем выделяют объект управления — то, на что направлено воздействие, — и управляющее устройство, которое формирует команды. Устройство получает сведения о состоянии объекта, чтобы выбирать действие с учётом происходящего. Например, при регулировании температуры объектом является помещение, а команда может включать или выключать нагрев.

Данные о состоянии объекта обычно передают датчики, а команды выполняют исполнительные устройства. Датчик измеряет нужный показатель, например температуру или влажность, и передаёт результат управляющему устройству. Исполнительное устройство воздействует на объект: включает нагреватель, открывает клапан или запускает насос. Такое разделение нужно, потому что измерить состояние и физически изменить его — разные задачи.

Если в системе есть обратная связь, сведения о результате возвращаются в управляющее устройство. Оно сопоставляет фактическое состояние с заданным и определяет, есть ли отклонение. Если температура ниже требуемой, нагрев продолжается; когда она достигнута, воздействие можно уменьшить или прекратить. Поэтому обратная связь позволяет подстраивать команды под реальные изменения объекта.

Автоматическая и автоматизированная системы различаются не тем, есть ли в них компьютер или датчики, а ролью человека в управлении. В автоматической системе устройство само выполняет управляющие действия, не требуя постоянных решений человека. В автоматизированной системе человек может оценивать данные, выбирать режим или контролировать работу техники. Поэтому при определении типа системы нужно выяснить, кто принимает решения и кто следит за их выполнением.

Сравнение автоматической и автоматизированной систем управления

Сравнивайте системы прежде всего по роли человека и тому, кто принимает решения, а не только по наличию компьютера. Затем проследите, кто выполняет команды и используются ли данные о состоянии объекта. Обратная связь возможна в обоих типах систем.

Разбор задач

Термостат и нагреватель

Условие: датчик термостата измеряет температуру, а устройство включает или выключает нагреватель, поддерживая заданное значение. Нужно определить объект управления и тип системы. Для ответа проследим, на что направлено воздействие и принимает ли человек решения во время работы.

1. Находим объект: изменяется температура помещения или другого места, где установлен термостат. Значит, именно это место является объектом управления, а нагреватель — исполнительным устройством.
2. Определяем управляющее устройство: оно получает показания датчика и решает, включить нагреватель или выключить его. Датчик сообщает температуру, но не выбирает команду.
3. Проверяем роль человека: по условию термостат сам переключает нагреватель, а человек не принимает каждое текущее решение. Следовательно, управление автоматическое.

Ответ: объект управления — помещение или среда, температуру которой поддерживают; это автоматическая система управления. Данные датчика дают обратную связь, позволяя устройству менять работу нагревателя в зависимости от температуры.

Оператор на производстве

Условие: оператор видит на экране показания датчиков и сам меняет режим оборудования. Нужно объяснить, почему система является автоматизированной. Для этого разделим действия техники и решения, оставленные человеку.

1. Определяем работу технических средств: датчики измеряют состояние производства и передают данные на экран. Техника помогает наблюдать за объектом, но показания сами по себе ещё не означают, что система полностью управляет процессом.
2. Находим, кто выбирает управляющее действие: режим оборудования меняет оператор. Значит, решение о воздействии принимает человек, опираясь на сведения от датчиков.
3. Сопоставляем ситуацию с определением: технические средства помогают управлять, но человек сохраняет участие в принятии решений. Это признак автоматизированной системы.

Ответ: систему относят к автоматизированным, потому что техника собирает и показывает данные, а оператор сам выбирает режим работы оборудования. Если бы устройство самостоятельно принимало такие решения без непосредственного участия человека, систему можно было бы назвать автоматической.

Управление теплицей

Условие: датчики измеряют температуру и влажность в теплице, компьютер сравнивает их с заданными показателями и включает отопление или полив. Нужно проследить путь информации и команд и найти обратную связь. Начнём с того, откуда поступают данные, а затем проследим, как система воздействует на объект.

1. Объект управления — теплица, точнее её состояние, определяемое температурой и влажностью. Датчики измеряют эти показатели и передают данные компьютеру.
2. Компьютер выступает управляющим устройством: он сравнивает полученные значения с заданными и выбирает команду. Если нужно изменить температуру, он включает отопление; если не хватает влаги, запускает полив.
3. Исполнительные устройства — отопление и оборудование для полива — выполняют команды и воздействуют на теплицу. После изменения условий датчики снова измеряют температуру и влажность.
4. Возвращение новых показаний к компьютеру и есть обратная связь. По ним компьютер проверяет результат и при необходимости снова меняет команды.

Ответ: путь данных и команд таков: теплица → датчики → компьютер → отопление или полив → теплица. Обратная связь реализована в возврате измеренных после воздействия показателей к компьютеру.

Типичные ошибки

Ошибка — считать автоматическую и автоматизированную системы одним и тем же. Так бывает, когда ориентируются на наличие техники, а не на участие человека. Проверьте себя вопросом: кто принимает решения во время работы? Если человек выбирает действия или контролирует их, система автоматизированная.

Ошибка — называть датчик управляющим устройством. Датчик действительно влияет на ход управления, потому что сообщает нужные сведения, но сам только измеряет и передаёт их. Путаница возникает из-за того, что без показаний системе трудно выбрать команду. Проверьте себя: датчик отвечает на вопрос «что происходит?», а управляющее устройство — «что делать?».

Ошибка — путать объект управления с устройством, которое вырабатывает команды. Объектом считают то, на что направлено воздействие, а управляющее устройство анализирует сведения и формирует команды. При описании системы роли легко смешать, если перечислять приборы без вопроса об их назначении. Проверьте себя: состояние какого элемента система должна изменить или поддерживать?

Ошибка — считать обратной связью передачу команды от устройства к объекту. Такая команда направлена вперёд, чтобы изменить состояние, а обратная связь возвращает сведения о результате. Их путают, потому что обе передачи связаны с обменом сигналами. Проверьте направление: если данные сообщают управляющему устройству, что фактически происходит с объектом, это обратная связь.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в системах управления, полезно понимать, что такое информация и данные, а также как работают устройства ввода и вывода компьютера. Датчик получает сведения об объекте, а экран может выводить показания для оператора. Эти понятия помогают проследить, как данные попадают в систему и как результаты её работы становятся доступными человеку.

Понятия датчика, управляющего устройства и обратной связи пригодятся при изучении компьютеров, робототехники и моделирования систем. В роботе датчики сообщают о среде, управляющее устройство выбирает действия, а исполнительные механизмы выполняют их. При моделировании те же роли помогают описывать поведение реального объекта и проверять, как он реагирует на команды.

Что запомнить

• Система управления включает объект управления и управляющее устройство.
• Управляющее устройство формирует команды для воздействия на объект.
• Датчики сообщают системе о состоянии объекта.
• Исполнительные устройства выполняют управляющие команды.
• Обратная связь позволяет учитывать фактическое состояние объекта.
• В автоматической системе управление выполняется без непосредственного участия человека.
• В автоматизированной системе человек участвует в управлении или контролирует его.