§ 15. Управление и управляемые системы

Определения и обозначения

Управление — целенаправленное воздействие на объект, которое изменяет его состояние или поведение. Целенаправленным его делает связь с желаемым результатом: воздействие выбирают не случайно, а ради определённого изменения. Это понятие помогает отличать управление от любого влияния на объект.

Управляемая система включает объект управления и средства, которые вырабатывают и передают ему управляющие воздействия. Средствами могут быть человек, прибор или программа, а воздействием — команда, сигнал или действие. Такое определение нужно, чтобы видеть в управлении не отдельную команду, а взаимодействие нескольких частей.

Объект управления — система или процесс, состояние которого требуется изменить или поддерживать. Это может быть, например, температура помещения или уровень воды в баке. Выделение объекта позволяет понять, на что именно должна повлиять система управления.

Обратная связь — возвращение в систему управления информации о текущем состоянии объекта и результате воздействия. Эти сведения учитываются при выработке следующих действий. Благодаря обратной связи управление может меняться в зависимости от того, что происходит с объектом.

Как это устроено

Сначала задают цель — описание состояния, которого требуется достичь или которое нужно сохранить. Без такого ориентира нельзя определить, какое действие считать подходящим: одна и та же команда может быть полезной для одной цели и бесполезной для другой. Например, если цель — поддерживать заданную температуру, системе нужно знать, к какому значению стремиться. Цель и воздействие — разные вещи: первая задаёт результат, второе помогает его получить.

Затем система управления получает сведения о состоянии объекта, выбирает действие по правилу или алгоритму и передаёт воздействие объекту. Алгоритм — это точное описание действий и порядка их выполнения; он позволяет принимать решения не наугад. Информация нужна, чтобы решение учитывало ситуацию, а передача воздействия связывает решение с изменением объекта. Так складывается цепочка от наблюдения до действия.

При управлении без обратной связи воздействия заранее задаются или выбираются без учёта результата. Такая схема может быть удобна, когда условия устойчивы и поведение объекта предсказуемо, например при переключении сигналов светофора по расписанию. Но если условия изменятся, система не узнает об этом и продолжит действовать по прежнему плану. При обратной связи сведения о результате возвращаются, поэтому следующую команду можно выбрать с учётом фактического состояния.

Чтобы выбрать корректирующее воздействие, фактическое состояние сопоставляют с требуемым. Разницу между ними называют отклонением: например, температура 18 °C отклоняется от заданных 20 °C на 2 °C вниз. Система использует это отклонение, чтобы решить, нужно ли усилить, ослабить или прекратить воздействие. Если объект приблизился к цели или прошёл её, команда может измениться, а не оставаться прежней.

Один и тот же процесс управления может быть устроен по-разному: человеком, техникой или их сочетанием. При автоматизации часть или все функции управления передают техническим средствам, например датчикам и контроллеру. Тогда приборы получают данные и выполняют заданные операции без постоянных команд человека. При этом система управления сама может стать объектом для другой системы: например, работу устройства может контролировать более общая система.

Сравнение управления с обратной связью и без неё

Сравнивайте прежде всего не наличие прибора, а то, поступает ли в систему информация о результате её действий. Если воздействие меняется в ответ на эту информацию, действует обратная связь. Таблица также показывает, почему система без обратной связи может быть удобной, но не исправляет отклонения.

Разбор задач

Светофор по расписанию

Условие. Определите цель управления, объект и управляющее воздействие в работе светофора, переключающего сигналы по заданному расписанию. Нужно различить то, чем система управляет, и то, что она делает. Также важно выяснить, учитывает ли расписание дорожную обстановку.

1. Определяем цель: организовать движение, поочерёдно разрешая и запрещая проезд направлениям.
2. Выделяем объект управления: транспортные потоки на перекрёстке, состояние которых меняется в зависимости от сигналов.
3. Называем воздействие: команда светофору включить красный, жёлтый или зелёный сигнал в заданный момент.
4. Проверяем обратную связь: по условию светофор работает по расписанию и не получает сведений о текущем потоке машин.

Ответ. Цель — организовать движение, объект — транспортные потоки, воздействие — переключение сигналов. Это управление без обратной связи: расписание определяет команды, но результат на дороге не влияет на дальнейшее переключение.

Термостат

Условие. В термостате задана температура 20 °C. Датчик сначала показывает 18 °C, а затем 21 °C. Объясните, как система поддерживает заданное значение, опираясь на показания датчика. Здесь важно рассматривать обе ситуации относительно одной и той же цели.

1. При показании 18 °C сравниваем фактическую температуру с заданной: она ниже на 2 °C.
2. Термостат включает или усиливает нагрев, чтобы температура приближалась к 20 °C.
3. При показании 21 °C температура уже выше заданной на 1 °C.
4. Термостат уменьшает или прекращает нагрев; если предусмотрено охлаждение, может включить его.

Ответ. Датчик передаёт сведения о температуре, а термостат сравнивает их с целью 20 °C. При 18 °C он увеличивает нагрев, а при 21 °C уменьшает его или отключает. Это обратная связь, поскольку команда зависит от измеренного результата.

Уровень воды в баке

Условие. Нужно составить схему управления уровнем воды: датчик измеряет уровень, контроллер сравнивает его с заданным, насос подаёт воду. Укажите цель, объект, входную информацию, алгоритм и воздействие. Чтобы описать систему полностью, проследим путь данных от бака до решения и обратно.

1. Формулируем цель: поддерживать заданный уровень воды в баке.
2. Называем объект управления: бак с водой, точнее — процесс изменения уровня в нём.
3. Указываем входную информацию: измеренный датчиком текущий уровень и заданное значение, с которым его сравнивают.
4. Описываем алгоритм: если уровень ниже заданного, включить насос; если достигнут заданный уровень, выключить насос.
5. Называем воздействие: команда насосу подавать воду или прекратить подачу. Новое измерение уровня снова поступает контроллеру.

Ответ. Схема замкнутая: бак и вода — объект, датчик передаёт входную информацию контроллеру, а цель — заданный уровень. Контроллер сравнивает измерение с целью и включает или выключает насос. Повторные измерения позволяют корректировать воздействие и не продолжать подачу после достижения нужного уровня.

Типичные ошибки

Путать объект управления с управляющим устройством. Ошибка возникает, когда все части системы называют одним общим словом «управление». Но объект меняет состояние, а устройство вырабатывает или передаёт воздействие. Проверьте себя вопросом: что именно изменяется, а что отдаёт команду?

Называть обратной связью любое поступление информации. Информация может описывать условия, но не сообщать о результате воздействия. Обратная связь должна возвращать сведения о состоянии объекта и влиять на дальнейшее управление. Проверьте, меняется ли команда в зависимости от полученных данных.

Путать цель управления с воздействием. Цель — желаемое состояние, а воздействие — действие для его достижения. Их смешивают, потому что оба понятия связаны с результатом работы системы. Для проверки сформулируйте отдельно, чего хотят добиться и что система делает.

Считать управление без обратной связи обязательно неэффективным. Такой вывод неверен: при предсказуемых условиях заранее заданные команды могут выполнять задачу. Ошибка в том, что удобство системы принимают за способность исправлять отклонения. Проверьте себя: может ли система узнать о результате и изменить воздействие, если условия изменятся?

Связь с другими темами

Чтобы разбирать управляемые системы, полезно знать, что такое система, её элементы, входы и выходы. Это помогает увидеть, откуда поступают данные, где принимается решение и на что оно влияет. Понятие алгоритма нужно для описания правил, по которым система выбирает действие.

Обратная связь понадобится при изучении автоматического управления и моделирования систем. Она также помогает понять принципы работы компьютеров и устройств, которые получают данные и реагируют на них. Например, датчик передаёт компьютеру сведения, а программа использует их для выбора дальнейшей команды.

Что запомнить

• Управление направлено на достижение заданной цели.
• Управляемая система включает объект и средства управления.
• Управляющее воздействие изменяет состояние объекта.
• Обратная связь сообщает системе управления о результате.
• При обратной связи воздействие можно корректировать.
• Автоматизация передаёт функции управления техническим средствам.