Системы управления с обратной связью

Введение

Обра́тная связь (англ. feedback — «фидбэк» — «обратное питание») — в широком смысле означает отзыв, отклик, ответную реакцию на какое-либо действие или событие:

Обра́тная связь в технике — это процесс, приводящий к тому, что результат функционирования какой-либо системы влияет на параметры, от которых зависит функционирование этой системы. Другими словами, на вход системы подаётся сигнал,пропорциональный её выходному сигналу 

Система управления — систематизированный (строго определённый) набор средств  сбора сведений о подконтрольном объекте и средств воздействия  на его поведение, предназначенный  для достижения определённых целей. Объектом системы управления могут  быть как технические объекты, так  и люди. Объект системы управления может состоять из других объектов, которые могут иметь постоянную структуру взаимосвязей.

Техническая структура управления — устройство или набор устройств  для манипулирования поведением других устройств или систем.

Объектом управления может  быть любая динамическая система  или её модель. Состояние объекта  характеризуется некоторыми количественными  величинами, изменяющимися во времени, то есть переменными состояния. В  естественных процессах в роли таких  переменных может выступать температура, плотность определенного вещества в организме, курс ценных бумаг и  т. д. Для технических объектов это  механические перемещения (угловые  или линейные) и их скорость, электрические  переменные, температуры и т. д. Анализ и синтез систем управления проводится методами специального раздела математики — теории управления.

Структуры управления разделяют на два больших класса:

Автоматизированные системы  управления (АСУ) — с участием человека в контуре управления;

Система автоматического  управления(САУ) — без участия  человека в контуре управления.

Система автоматического  управления, как правило, состоит  из двух основных элементов — объекта  управления и управляющего устройства.

Объект управления — изменение состояния объекта в соответствии с заданным законом управления. Такое изменение происходит в результате внешних факторов, например, вследствие управляющих или возмущающих воздействий.

По виду информации в управляющем устройстве

Замкнутые САУ

В замкнутых системах автоматического  регулирования управляющее воздействие  формируется в непосредственной зависимости от управляемой величины. Связь выхода системы с его  входом называется обратной связью. Сигнал обратной связи вычитается из задающего  воздействия. Такая обратная связь называется отрицательной.

Разомкнутые САУ

Сущность принципа разомкнутого управления заключается в жестко заданной программе управления. То есть управление осуществляется «вслепую», без контроля результата, основываясь  лишь на заложенной в САУ модели управляемого объекта. Примеры таких  систем: таймер, блок управления светофора, автоматическая система полива газона, автоматическая стиральная машина и  т. п.

В свою очередь, различают:

Разомкнутые по задающему  воздействию

Разомкнутые по возмущающему воздействию

Примеры систем автоматического управления

В зависимости от природы  управляемых объектов можно выделить биологические, экологические, экономические  и технические системы управления. В качестве примеров технического управления можно привести:

Системы дискретного действия или автоматы (торговые, игровые, музыкальные).

Системы стабилизации уровня звука, изображения или магнитной  записи. Это могут быть управляемые  комплексы летательных аппаратов, включающие в свой состав системы  автоматического управления двигателя, рулевыми механизмами, автопилоты и  навигационные системы

Системы управления с участием людей как объектов управления зачастую называют системами менеджмента.

     В процессе  управления человек с помощью  органов чувств воспринимает  информацию об окружающей среде  (состояние дороги, дорожные знаки,  сигналы светофора, наличие встречного  транспорта, пешеходов и т. д.). Эта информация через органы  чувств передается в мозг человека, где преобразуется в другую  информацию — последовательность  сигналов, передающихся по нервным  путям и управляющих движением  ног и рук водителя, воздействующих  на руль, сцепление, тормоза и  другие устройства автомобиля.

     Этот пример  показывает, что без информации, ее передачи, преобразования и  использования управление невозможно. В основе любого процесса управления  лежат информационные процессы.

         В любом процессе управления  всегда происходит взаимодействие  двух систем — управляющей  и управляемой. Если они соединены  каналами прямой и обратной  связи, то такую систему называют  замкнутой или системой с обратной  связью.

     По каналу  прямой связи передаются сигналы  (команды) управления, вырабатываемые  в управляющем органе. Подчиняясь  этим командам, управляемый объект  осуществляет свои рабочие функции.  В свою очередь, управляемый  объект соединен с управляющим  органом каналом обратной связи,  по которому поступает информация  о состоянии управляемого объекта.  В управляющем органе эта информация  используется для выработки новых  сигналов управления, направляемых  к управляемому объекту.

     Рассмотрим  простейший пример управления  — поддержание постоянно заданной  температуры в электрической  печи (или термостате). Выполняя эту  задачу вручную (без применения  средств автоматики), человек должен: 1) наблюдать за показаниями термометра, 2) сравнивать эти показания с  заданной температурой и 3) при  наличии разности между заданным  и наблюдаемым значениями передвигать  ползунок регулируемого реостата, изменяя силу тока и температуру  электронагревательного прибора  таким образом, чтобы эта разность  стремилась к нулю.

         Структура автоматической системы,  предназначенной для решения  такой задачи, сводится к схеме,  изображенной на рисунке.

     с заданным  значением и при наличии расхождения  передает соответствующую команду  на исполнительный орган, который  и восстанавливает заданное значение  регулируемой величины (в нашем  случае — температуры). В качестве  исполнительных органов используются устройства, непосредственно воздействующие на технологический процесс (двигатели, электромагниты и т. п.).

         Такие системы представляют собой  типичный пример систем автоматического  регулирования.