Основатель школы административного управления Анри Файоль создал доктрину административного управления, основные положения которой изложил в своей книге «Общее и промышленное управление» (1916 г.).
В этой доктрине представлена система принципов управления (администрирования):
- разделение труда (повышает квалификацию и уровень выполнения работы);
- (право давать команды и нести ответственность за результаты);
- дисциплина (соблюдение рабочими и менеджерами правил и договоренностей, существующих в организации);
- единство распорядительства, или единоначалие (выполнение распоряжений только одного руководителя и подотчетность только одному руководителю);
- единство руководства или направления (один руководитель и один план для группы людей, действующих для достижения единой );
- подчинение индивидуальных интересов общим;
- вознаграждение персонала (оплата должна отражать состояние организации и стимулировать работу персонала);
- централизация (уровень централизации и децентрализации должен зависеть от ситуации и выбирать его следует так, чтобы он давал наилучшие результаты);
- скалярная цепь (четкое построение целевой последовательности команд от руководства к подчиненным);
- порядок (каждый должен знать свое место в организации);
- справедливость (к рабочим следует относиться справедливо и по-доброму);
- стабильность персонала (кадры должны находиться в стабильной ситуации);
- инициатива (менеджеры должны стимулировать выдвижение идей подчиненными);
- корпоративный дух (следует создавать дух единства и совместных действий, сплачивать коллектив).
Принципы классической системы управления получили развития в современных «школах управления» как основополагающие принципы .
Важное значение в управлении имеют общие принципы управления , которые являются связующим звеном между фундаментальной основой теории управления – законами управления – и управленческой практикой. Общие принципы управления непосредственно вытекают из законов управления и отражают объективную реальность.
Общие принципы управления это правила, которыми руководствуются при управлении объектами различной отраслевой принадлежности или специфики, т.е. они присущи всем системам управления, поэтому называются общими. Эта группа принципов отражает требования, предъявляемые к системам управления и в целом к управленческой деятельности.
К основным из них относятся следующие:
- принцип единства политики и экономики;
- научность;
- системность и комплексность;
- принцип единоначалия в управлении и коллегиальность в выработке решений;
- принцип централизации и децентрализации;
- принцип пропорциональности в управлении;
- принцип единства распорядительства в управлении;
- принцип экономии времени;
- принцип приоритета функций управления над структурой при создании организации и наоборот, приоритет структуры над функциями управления в действующих организациях;
- принцип делегирования полномочий;
- принцип обратной связи;
- принцип экономичности;
- принцип эффективности;
- принцип мотивации.
Принцип единства политики и экономики.
Экономика является базисом любого государства и общества и подчиняется объективным экономическим законам и закономерностям. Их учет и разумное использование приводит к экономическому росту, а игнорирование или не учет проявляются в экономическом спаде или кризисе. Политика отражает надстройку любого государства и представляет собой концентрированное выражение экономики. Это означает, что при осуществлении хозяйственной деятельности общество не может не учитывать политических последствий тех или иных экономических мер на общественное развитие, на изменения в базисе и надстройке.
Научность .
Этот принцип определяет, что управленческая деятельность, формирование, функционирование, и развитие систем управления должны базироваться на основании данных науки, т.е. объективных законах и закономерностях. Кроме этого, принцип научности предполагает использование имеющегося арсенала современных научных методов познания объектов управления, исследование реальных ситуаций, условий, в которых протекает жизнедеятельность этих объектов. Особенностью этого принципа также является применение в практической деятельности достижений теории и опытных данных научного управления объектами разного рода, т.ч. различной отраслевой принадлежности.
Системность и комплексность .
Принципы системного подхода предусматривают изучение объекта управления и управляющей системы совместно и нераздельно. Системность означает необходимость использования системного анализа и синтеза в каждом управленческом решении. В системе управления неправильное, ошибочное решение можно свести на нет всю деятельность системы, привести к ее разрушению.Комплексность в управлении означает необходимость всестороннего охвата всей управляемой системы, учет всех направлений, всех сторон деятельности, всех свойств.
Принцип единоначалия в управлении и коллегиальности в выработке решений .
Принцип единоначалия исходит из того, что у каждого подчиненного должен быть один непосредственный начальник, отдающий ему распоряжения, приказы, и отчитывается подчиненный только перед ним.Любое принимаемое решение должно разрабатываться коллегиально (коллективно). Это означает всесторонность (комплексность) его разработок и учет мнений многих специалистов по различным вопросам. Принятое коллегиально решение проводится в жизнь под персональную ответственность руководителя организации.
Принцип централизации и децентрализации .
Централизация это когда люди, власть, ответственность, структуры подчиняются одному центру, одному лицу или какому-либо органу управления. Централизация позволяет обеспечить жесткую координацию звеньев в рамках системы управления.
Децентрализация происходит в результате передачи части власти, полномочий и ответственности, а также права принятия решения в пределах своей компетенции на более низкие уровни управления. В результате децентрализации происходит «рассредоточение» власти. Децентрализация способствует структурной гибкости и развитию адаптивных возможностей системы управления.Централизация и децентрализация находятся в единстве и взаимном дополнении друг друга. Не может существовать полностью децентрализованная структура управления, поскольку она потеряет свою целостность. С другой стороны не может существовать и система управления, лишенная полностью децентрализации, - с потерей автономности она свою структурность.
Принцип пропорциональности в управлении .
Данный принцип находит свое отражение в соотносительности управляющей и управляемой частей организации. Ее суть заключается в обеспечении взаимного соответствия между субъектом и объектом управления. Рост и усложнение объекта управления, к примеру, подсистемы производства, ведет к росту и усложнению субъекта управления (управляющей подсистемы).Уровень соответствия субъекта управления объекту управления может быть определен рядом показателей, таких как: соотношение численности управленческого персонала и рабочих; соотношение мощности вспомогательных и обслуживающих подсистем (информационной, математической, технической) потребностям функциональных подразделений) и т.д.Принцип пропорциональности в управлении актуален при нахождении и соблюдении правильного соотношения между коллегиальностью и единоначалием, организацией и самоорганизацией, централизацией и децентрализацией, что составляет круг важнейших задач управления.
Принцип единства распорядительства в управлении .
Рациональная структура управления это структура, в которой установлена четкая персональная закрепленность полномочий распорядительства по каждому конкретному вопросу на каждом уровне и по отношению каждому объекту управления (подразделению или работнику), за конкретным руководителем.Однозначность закрепления полномочий распорядительства обеспечивает четкость функционирования управленческой вертикали. Каждый руководитель имеет полную ясность относительно пределов своей компетенции и действует в соответствии с этими представлениями.
Принцип экономии времени .
Принцип экономии времени требует постоянного уменьшения трудоемкости операций в процессе управления. Это прежде всего относится к информационным операциям по подготовке и реализации решений.
Принцип приоритета функций управления над структурой при создании организации и наоборот, приоритет структур над функциями управления в действующих организациях.
Создание новых систем управления осуществляется для реализации определенного набора целей. Каждая цель реализуется набором задач. Затем эти задачи группируются по общности, для этих групп формируется набор функций, а затем набор производственных и управленческих звеньев и структур.В реально действующих системах управления управленческие функции распределены между производственными и управленческими звеньями и структурами, отлажены взаимосвязи между элементами структуры.В процессе функционирования организации лишние элементы структуры «отмирают», а недостающие постепенно появляются, вместе с ними «отмирают» или появляются новые функции.
Принцип делегирования полномочий .
Принцип делегирования полномочий состоит в передачи руководителем части возложенных на него полномочий, прав и ответственности своим компетентным сотрудникам. Главная практическая ценность принципа состоит в том, что руководитель освобождает свое время от менее сложных повседневных дел и может сконцентрироваться свои усилия на решении задач сложного управленческого уровня.
Принцип обратной связи .
Обратная связь в системах управления – это особая форма устойчивой внутренней связи между субъектом и объектом управления, которая носит информационный характер и является необходимым условием протекания процессов управления, а также имеет целью координацию управленческих действий. Суть принципа обратной связи заключается в том, что любое отклонение системы от её естественного или заданного состояния является источником возникновения в субъекте управления нового движения, направленного на то, чтобы поддержать систему в её заданном состоянии.
Принцип экономичности .
Это требование – правило управленческой деятельности, системы управления, определяющее: управление должно осуществляться с наименьшими затратами ресурсов, однако, не в ущерб его рациональности и результативности. В любом случае их показатели должны соотноситься и оптимально сочетаться. Сопоставление различных вариантов результатов и затрат на управление дает ответ об его экономичности.
Принцип эффективности .
Этот принцип – требование к управленческой деятельности обеспечивать высокую результативность (прибыльность) функционирования объекта управления. Его количественная определенность может выражаться через показатели результативности деятельности объекта управления и дополняться соответствующими синтетическими показателями оценки самой управленческой работы.
Принцип мотивации .
Этот принцип утверждает, что управление может быть высоко результативным только при справедливом стимулировании персонала объекта и субъекта управления. Стимулирование осуществляется в двух основных формах – материальной и морально-психологической, причем они должны гармонично сочетаться между собой при ведущей и определяющей роли материальных факторов мотивации успешной деятельности.
Принципы менеджмента .
Менеджмент это рациональный способ управления деловыми организациями. Главное значение при этом уделяется применению ясных и четких методов сугубо прагматического характера в целях наиболее эффективного использования ресурсов и иных условий, а также возможностей видения бизнеса.Поскольку менеджмент базируется на современной науки и теории управления людьми и делом, система его принципов включает в себя принципы классических школ управления, общие принципы управления и принципы, вырабатываемые современным развитием экономики.К некоторым современным принципам менеджмента относят:
- ориентация на потребителя;
- ориентация на перспективу развития бизнеса, расширение сферы деятельности;
- обостренное чувство ответственности за дела организации;
- ориентация на конечные результаты деятельности;
- стремление к нововведениям;
- ориентация на лидеров;
- энтузиазм персонала;
- развитие всего лучшего, что есть в людях: умения, способности, желание делать оригинально, профессионально, эффективно, самостоятельно;
- опора на общечеловеческие ценности;
- высокие стандарты деятельности;
- опора объективные законы и реальности рыночных отношений;
- решение новых проблем новыми методами;
- возрастание роли неформальной организации.
- свобода и жесткость одновременно;
- постоянный поиск того, в чем можно добиться успеха;
- поступки должны быть решительными, но взвешенными;
- концентрация своей деятельности на приоритетных программах.
Для рациональной организации процессов существует ряд принципов.
Общие понятия
Теория автоматического управления (ТАУ) появилась во второй половине 19 века сначала как теория регулирования. Широкое применение паровых машин вызвало потребность в регуляторах, то есть в специальных устройствах, поддерживающих устойчивый режим работы паровой машины. Это дало начало научным исследованиям в области управления техническими объектами. Оказалось, что результаты и выводы данной теории могут быть применимы к управлению объектами различной природы с различными принципами действия. В настоящее время сфера ее влияния расширилась на анализ динамики таких систем, как экономические, социальные и т.п. Поэтому прежнее название “Теория автоматического регулирования” заменено на более широкое - “Теория автоматического управления”.
Управление каким-либо объектом (объект управления будем обозначать ОУ) есть воздействие на него в целях достижения требуемых состояний или процессов. В качестве ОУ может служить самолет, станок, электродвигатель и т.п. Управление объектом с помощью технических средств без участия человека называется автоматическим управлением . Совокупность ОУ и средств автоматического управления называется системой автоматического управления (САУ) .
Основной задачей автоматического управления является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин, характеризующих процессы, протекающие в ОУ, без непосредственного участия человека. Эти величины называются управляемыми величинами . Если в качестве ОУ рассматривается хлебопекарная печь, то управляемой величиной будет температура, которая должна изменяться по заданной программе в соответствии с требованиями технологического процесса.
Принято различать три фундаментальных принципа управления: принцип разомкнутого управления, принцип компенсации, принцип обратной связи .
1.2.1. Принцип разомкнутого управления. Рассмотрим САУ хлебопекарной печи (рис.1). Ее принципиальная схема показывает принцип действия данной конкретной САУ, состоящей из конкретных технических устройств. Принципиальные схемы могут быть электрическими, гидравлическими, кинематическими и т.п.
Технология выпечки требует изменения температуры в печи по заданной программе, в частном случае требуется поддержание постоянной температуры. Для этого надо реостатом регулировать напряжение на нагревательном элементе НЭ. Подобная часть ОУ, с помощью которой можно изменять параметры управляемого процесса называется управляющим органом объекта (УО). Это может быть реостат, вентиль, заслонка и т.п.
Часть ОУ, которая преобразует управляемую величину в пропорциональную ей величину, удобную для использования в САУ, называют чувствительным элементом (ЧЭ). Физическую величину на выходе ЧЭ называют выходной величиной ОУ. Как правило, это электрический сигнал (ток, напряжение) или механическое перемещение. В качестве ЧЭ могут использоваться термопары, тахометры, рычаги, электрические мосты, датчики давления, деформации, положения и т.п. В нашем случае это термопара, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное температуре в печи, подаваемое на измерительный прибор ИП для контроля. Физическую величину на входе управляющего органа ОУ называют входной величиной ОУ.
Управляющее воздействие u(t) - это воздействие, прикладываемое к УО объекта с целью поддержания требуемых значений управляемой величины. Оно формируется устройством управления (УУ). Ядром УУ является исполнительный элемент , в качестве которого может использоваться электрические или поршневые двигатели, мембраны, электромагниты и т.п.
Задающим устройством (ЗУ) называется устройство, задающее программу изменения управляющего воздействия, то есть формирующее задающий сигнал u о (t) . В простейшем случае u о (t)=const . ЗУ может быть выполнено в виде отдельного устройства, быть встроенным в УУ или же вообще отсутствовать. В качестве ЗУ может выступать кулачковый механизм, магнитофонная лента, маятник в часах, задающий профиль и т.п. Роль УУ и ЗУ может исполнять человек. Однако это уже не САУ. В нашем примере УУ является кулачковый механизм, перемещающий движок реостата согласно программе, которая задается профилем кулачка.
Рассмотренную САУ можно представить в виде функциональной схемы , элементы которой называются функциональными звеньями . Эти звенья изображаются прямоугольниками, в которых записывается функция преобразования входной величины в выходную (рис.2). Эти величины могут иметь одинаковую или различную природу, например, входное и выходное электрическое напряжение, или электрическое напряжение на входе и скорость механического перемещения на выходе и т.п.
Величина f(t) , подаваемая на второй вход звена, называется возмущением . Она отражает влияние на выходную величину y(t) изменений окружающей среды, нагрузки и т.п.
В общем случае функциональное звено может иметь несколько входов и выходов (рис.3). Здесь u 1 ,u 2 ,...,u n - входные (управляющие) воздействия;f 1 ,f 2 ,...,f m - возмущающие воздействия; y 1 ,y 2 ,...,y k - выходные величины.
Принцип работы функциональных звеньев может быть различным, поэтому функциональная схема не дает представление о принципе действия конкретной САУ, а показывает лишь пути прохождения и способы обработки и преобразования сигналов. Сигнал - это информационное понятие, соответствующее на принципиальной схеме физическим величинам. Пути его прохождения указываются направленными отрезками (рис.4). Точки разветвления сигнала называются узлами . Сигнал определяется лишь формой изменения физической величины, он не имеет ни массы, ни энергии, поэтому в узлах он не делится, и по всем путям от узла идут одинаковые сигналы, равные сигналу, входящему в узел. Суммирование сигналов осуществляется в сумматоре , вычитание - в сравнивающем устройстве .
Рассмотренную САУ хлебопекарной печи можно изобразить функциональной схемой (рис.5). В данной схеме заложен принцип разомкнутого управления , сущность которого состоит в том, что программа управления жестко задана ЗУ; управление не учитывает влияние возмущений на параметры процесса. Примерами систем, работающих по принципу разомкнутого управления, являются часы, магнитофон, компьютер и т.п.
В основе построения системы автоматического управления лежат некоторые общие фундаментальные принципы управления, определяющие, каким образом осуществляется увязка алгоритмов функционирования и управления с фактическим функционированием или причинами, вызывающими отклонение функционирования от заданного. В настоящее время в технике известны и используют три фундаментальных принципа: разомкнутого управления , компенсации и обратной связи .
Принцип разомкнутого управления . Сущность принципа состоит в том, что алгоритм управления вырабатывается только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируется другими факторами - возмущениями или выходными координатами процесса. Общая функциональная схема системы показана на рис. 1.2, а. Задание алгоритма функционирования может вырабатываться как специальным техническим устройством - задатчиком программы 1, так и выполняться заранее при проектировании системы и затем непосредственно использоваться при конструировании управляющего устройства 2. В последнем случае блок 1 на схеме будет отсутствовать. В обоих случаях схема имеет вид разомкнутой цепочки, в которой основное воздействие передается от входного элемента к выходному элементу 3, как показано стрелками. Это и дало основание названию принципа. Близость х к x0 в разомкнутых системах обеспечивается только конструкцией и подбором физических закономерностей, действующих во всех элементах.
Несмотря на очевидные недостатки, этот принцип используют очень широко. Элементы, представляемые разомкнутой цепью, входят в состав любой системы, поэтому принцип представляется настолько простым, что его не всегда выделяют, как один из фундаментальных принципов.
Принцип компенсации (управление по возмущению) . Если возмущающие воздействия настолько велики, что разомкнутая цепь не обеспечивает требуемой точности выполнения алгоритма функционирования, то для повышения точности иногда возможно, измерив возмущения, ввести по результатам измерения коррективы в алгоритм управления, которые компенсировали бы вызываемые возмущениями отклонения алгоритма функционирования.
Так как отклонение регулируемой величины зависит не только от управляющего u, но и от возмущающего z воздействия, , то в принципе можно подобрать управление таким образом, чтобы в установившемся режиме отклонение отсутствовало . Так, в простейшем линейном случае, если характеристика объекта в статике , то, выбирая , получим .
Следует подчеркнуть, что компенсация достигается только по измеряемым возмущениям.
Принцип обратной связи . Регулирование по отклонению . Систему можно построить и так, чтобы точность выполнения алгоритма функционирования обеспечивалась и без измерения возмущений. На рис. 1.2,6 показана схема, в которой коррективы в алгоритм управления вносятся по фактическому значению координат в системе. Для этой цели в конструкцию системы вводят дополнительную связь 4, в которую могут входить элементы для измерения и для выработки корректирующих воздействий на управляющее устройство. Схема имеет вид замкнутой цепи, что дало основание назвать осуществляемый в ней принцип принципом управления по замкнутому контуру. Так как направление передачи воздействий в дополнительной связи обратно направлению передачи основного воздействия на объект, введенную дополнительную цепь называют цепью обратной связи.
Схема, изображенная на рис. 1.2, в, представляет собой наиболее общий вид замкнутых систем. По такой схеме строят, например, многие преобразовательные и счетно-решающие элементы. В управлении же наиболее широко распространен частный вид замкнутых систем, в которых коррекцию алгоритма управления осуществляют не непосредственно по значениям координат x, а по их отклонениям от значений, определяемым алгоритмом функционирования x0, т.е. . Схема, реализующая эту разновидность управления с обратной связью, показана на рис. 1.2, г, в которой: элемент 1, задающий алгоритм функционирования, и элемент сравнения - сумматор S , осуществляющий вычитание х из x0, т.е. вырабатывающий величину D х, называемую отклонением или ошибкой управления . Часто оказывается целесообразно вырабатывать управляющее воздействие в функции не только D х, но также его производных и интегралов по времени
 | (1.3) |
Функция f должна быть неубывающей функцией D х и одного с ней знака.
Управление в функции отклонения при упомянутых требованиях к функции f называют регулированием. Управляющее устройство в этом случае называют автоматическим регулятором. Объект О и регулятор Р образуют замкнутую систему, называемую системой автоматического регулирования (CAP).
Регулятор, вырабатывающий управляющее воздействие u в соответствии с алгоритмом управления (1.3), образует по отношению к выходу объекта отрицательную обратную связь, поскольку знак D х, как следует из (1.3), обратный знаку x. Обратную связь, образуемую регулятором, называют главной обратной связью. Кроме нее, внутри регулятора могут быть и другие местные обратные связи.
Круг объектов и операций управления весьма широк. Он охватывает технологические процессы и агрегаты, группы агрегатов, цехи, предприятия, человеческие коллективы, организации и т.д.
Объекты управления и виды воздействия на них.
Объекты, в которых протекает управляемый процесс, будем называть объектами управления. Это разнообразные технические устройства и комплексы, технологические или производственные процессы. Состояние объекта можно характеризовать одной или несколькими физическими величинами, называемыми управляемыми или регулируемыми переменными. Для технического устройства, например, электрического генератора, регулируемой переменной, может быть напряжение на его выходных клеммах; для производственного участка или цеха - объём выпускаемой им промышленной продукции.
Как правило, к объекту управления приложено два вида воздействий: управляющие - r(t) и возмущающее f(t); состояние объекта характеризуется переменной x(t):
f(t) r(t) объект x(t)управления
Изменение регулируемой величины x(t) обусловливается как управляющим воздействием r(t), так и возмущающим, или помехой f(t). Дадим определение этим воздействиям.
Возмущающим называется такое воздействие, которое нарушает требуемую функциональную связь между регулируемыми или управляемыми переменными и управляющим воздействием. Если возмущение характеризует действие внешней среды на объект, то оно называется внешним. Если это воздействие возникает внутри объекта за счёт протекания нежелательных, но неизбежных процессов при его нормальном, функционирование, то такие возмущения называются внутренними.
Воздействия, прикладываемые к объекту управления с целью изменения прикладываемой величины в соответствии с требуемым законом, а также для компенсации влияния возмущений на характер изменения управляемой величины, называются управляющими.
Основная цель автоматического управления любым объектом или процессом состоим в том, чтобы непрерывно поддерживать с заданной точностью требуемую функциональную зависимость между управляемыми переменными, характеризующими состояние объекта и управляющими воздействиями в условиях взаимодействия объекта с внешней средой, т.е. при наличии как внутренних, так и внешних возмущающих воздействий. Математическое выражение этой функциональной зависимости называется алгоритмом управления.
Понятие об элементе системы
Любой объект управления сопряжён с одним или несколькими регуляторами, формирующими управляющие воздействия, подаваемые на регулирующий орган. Объект управления совместно с управляющим устройством, или регулятором, образуют систему управления или регулирования. При этом, если человек не участвует в процессе управления, то такая система называется системой автоматического управления.
Регулятор системы представляет собой комплекс устройств, соединённых между собой в определённой последовательности и осуществляющих реализацию простейших операций над сигналами. В связи с этим оказывается возможным произвести декомпозицию (расчленение) регулятора на отдельные функциональные элементы - простейшие конструктивно-целостные ячейки, выполняющие одну определённую операцию с сигналом.
К таким операциям следует отнести:
1) преобразование контролируемой величины в сигнал;
2) преобразование: а) сигнал одного рода энергии в сигнал другого рода энергии; б) непрерывного сигнала в дискретный и обратно; в) сигнала по величине энергии; г) виды функциональной связи между выходными и входными сигналами;
3) хранение сигналов;
4) формирование программных сигналов;
5) сравнение контрольных и программных сигналов и формирование сигнала рассогласования;
6) выполнение логических операций;
7) распределение сигнала по различным каналам передачи;
8) использование сигналов для воздействия на объект управления.
Перечисленные операции с сигналами, выполняемые элементами систем автоматического управления, используются в дальнейшем как основа систематизации всего многообразия элементов автоматики, применяемого в различных по характеру, назначению и принципу действия системах, т.е. порождённого многообразием автоматических систем управления и контроля.
Чтобы осуществлять автоматическое управление или строить систему управления, нужны знания двоякого вида: во-первых, конкретные знания данного процесса, его технологии и, во-вторых, знания принципов и методов управления, общих для самых разнообразных объектов и процессов. Конкретные специальные знания дают возможность установить, что и, главное, как следует изменять в системе, чтобы получить требуемый результат.
При автоматизации управления техническими процессами возникает необходимость в различных группах операций управления. К одной из таких групп относится операция начала (включения), прекращения (отключения) данной операции и перехода от одной операции к другой (переключения).
Для правильного и качественного ведения процесса некоторые из его координат - управляемые - должны поддерживаться в определённых границах или изменяться по определённому закону.
Другая группа операций управления связана с контролем за координатами с целью установления допустимых границ. Эта группа операций состоит в измерении значений координат и представления результатов измерения в удобной для человека-оператора форме.
Третья группа операций управления - операции по поддержанию заданного закона изменения координат - изучается в теории автоматического управления.
Всякий объект, обладающий массой, является динамическим, поскольку под действием внешних сил и моментов (конечной величины) со стороны объекта возникает соответствующая реакция его положения (или состояния) не может быть изменено мгновенно. Переменные x, u и f (где x - совокупность управляемых координат процесса, u - воздействия или управления, прикладываемые к объекту, и f - возмущения действующие на вход объекта) в динамических объектах обычно связаны между собой дифференциальными, интегральными или разностными уравнениями, содержащими в качестве независимой переменной время t .
Изменения координат в нормальном, желаемом процессе определяется совокупностью правил, предписаний или математических зависимостей, называемых алгоритмом функционирования системы. Алгоритм функционирования показывает, как должна изменяться величина x(t) по требованиям технологии, экономики или по другим соображениям. В теории автоматического управления алгоритмы функционирования считаются заданными.
Динамические свойства и форма статических характеристик вносят искажения: действительный процесс будет отличаться от желаемого (который, например, при тех же воздействиях имел бы место в безынерционном линейном объекте). Поэтому требуемый закон изменения управления u , или алгоритм управления, не будет подобным алгоритму функционирования; он будет зависит от алгоритма функционирования, динамических свойств и характеристик объекта. Алгоритм управления показывает, как должно изменяться управление u, чтобы обеспечить заданный алгоритм функционирования. Алгоритм функционирования в автоматической системе реализуется с помощью управляющих устройств.
В основе используемых в техники алгоритмов управления лежат некоторые общие фундаментальные принципы управления, определяющие, как осуществляется увязка алгоритма управления с заданным и фактическим функционированием, или с причинами, вызвавшие отклонения. Используется три фундаментальных принципа: разомкнутого управления, обратной связи и компенсации.
Принцип разомкнутого управления
Сущность принципа состоит в том, что алгоритм управления строится только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируется по фактическому значению управляемой величины.
Принцип управления по отклонению
(принцип обратной связи).
Этот принцип является одним из наиболее ранних и широко распространённых принципов управления. В соответствии с ним воздействие на регулирующий орган объекта вырабатывается как функция отклонения регулируемой величины от предписанного значения.
Обратную связь можно обнаружить во многих процессах в природе. Примерами могут служить вестибулярный аппарат, обнаруживающий отклонения тела от вертикали и обеспечивающий поддержание равновесия, системы регуляции температуры тела, ритма дыхания и т.п. В общественных учреждениях обратная связь при управлении устанавливается посредством осуществления контроля исполнения. Принцип обратной связи является весьма универсальным фундаментальным принципом управления, действующим в технике, природе и обществе.
Принцип регулирования по возмущению (принцип компенсации).
Так как отклонение регулируемой величины зависит не только от управления, но и возмущающего воздействия, то в принципе можно сформулировать закон управления так, чтобы в установившемся режиме отклонение отсутствовало.
Принцип регулирования паровой машины по моменту сопротивления на её валу был предложен в 1930 г. французским инженером И.Понселе, однако реализовать это предложение на практике не удалось, поскольку динамические свойства паровой машины (наличие астатизма) не допускали непосредственного использования принципа компенсации. Но в ряде других технических устройств принцип компенсации использовался давно. Примечательно, что его использование в статике не вызывало сомнений, попытка же Г.В.Щипанова в 1940 г. Предложить принцип инвариантности по возмущению для ликвидации отклонений в динамике вызывала резкую дискуссию и обвинения в нереализуемости предложения. В.С.Кулебакин в 1948г. и Б.Н.Петров в 1955 г. показали, как следует строить системы, чтобы можно было реализовать в них принцип инвариантности. В 1966 г. предложенный Г.В.Щипановым принцип инвариантности был зарегистрирован как открытие с приоритетом - апрель 1939 г. Тем самым была исправлена ошибка его оппонентов, состоявшая в том, что отрицалась реализуемость принципа инвариантности вообще.
В технике известны и используются три фундаментальных принципа:
1. принцип разомкнутого управления;
2. принцип компенсации (управление по возмущению);
3. принцип обратной связи (управление по отклонению).
Они могут присутствовать сразу все в одной системе, и тогда управление называется комбинированным, или применяться по отдельности. Рассмотрим каждый принцип управления, как самостоятельный.
Принцип разомкнутого управления. Его сущность состоит в том, что алгоритм управления вырабатывается только на основе заданного алгоритма функционирования и результаты автоматического управления не корректируются другими факторами – возмущениями или выходными координатами процесса (рис. 26).
| |
Рис. 26. Схема системы разомкнутого управления
Схема на рис. 1. имеет разомкнутый контур, что определило ее название. Близость показателей Х и в разомкнутых системах обеспечивается только конструкцией и подбором физических закономерностей, действующих во всех ее элементах. Несмотря на очевидные недостатки, этот принцип широко используется из-за его простоты (например, системы станков с программным управлением).
Принцип компенсации или управления по возмущению. Возмущающее воздействие может быть таким, что разомкнутая цепь управления не обеспечивает требуемой точности выполнения алгоритма функционирования. Как выход из положения, можно измерять возмущение и вводить коррективы в управление. В результате имеем схему, как показано на рис. 27 (для простоты здесь и далее воздействия изображены обычными стрелками).
Рис. 27. Схема управления по возмущению
В отличие от разомкнутой схемы имеется контур с дополнительным элементом 4 системы, который вырабатывает корректирующее воздействие так, что повышается точность управления. Реализуется принцип инвариантности (независимости) САУ к данному возмущению объекта.
Принцип обратной связи. Регулирование по отклонению. При наличии нескольких возмущений с одинаково сильным влиянием на объект, управление по возмущению становится сложным, поскольку требуется измерение каждого возмущения и соответствующей обработки информации. В таком случае систему создают так, чтобы точность выполнения алгоритма функционирования обеспечивалась без измерения возмущений . Достаточно вносить коррективы в алгоритм управления по фактическому значению выходной координаты в системе (рис. 28).
Рис. 28. Схема управления по замкнутому контуру
В конструкцию системы вводят дополнительную связь 4, в которую входят элементы для измерения Х и для выработки корректирующего воздействия на управляющее устройство. Схема имеет замкнутый вид, что дает основание назвать реализуемый в ней способ принципом управления по замкнутому контуру, причем дополнительная цепь называется цепью обратной связи.
В технике автоматического управления наиболее широко представлен частный вид замкнутых систем, в которых коррекция алгоритма управления осуществляется не по значению координаты Х, а по ее отклонению от значения, определяемого алгоритмом функционирования , т.е. по величине:
Схема, использующая данную разновидность принципа управления с обратной связью, показана на рис.29.
