Управление - это целенаправленное воздействие на управляемый объект (процесс), приводящее к заданному изменению его состояния или удержанию в заданном постоянном состоянии. Управление должно обеспечивать целевое протекание технологических процессов преобразования энергии, вещества и информации, поддержание оптимальной работоспособности и безаварийности функционирования объекта путем сбора и обработки информации о состоянии объекта и внешней среды, выработки решений о воздействии на объект и их исполнении. Процесс управления подразумевает наличие умения и способности создавать целенаправленное воздействие на объект. Алгоритм управления, это инструкция о том, как добиваться поставленных задач (целей) управления в различных ситуациях.

Система управления – это множество взаимосвязанных элементов (связное целое), участвующих в процессе управления.

В основе любой системы управления лежит управляемый объект или управляемый процесс (объект управления - ОУ), на который и нацелена задача управления. В общем случае он представляет собой
динамическую систему произвольной природы, которая изменяет свое
состояние -
под влиянием внешних воздействий:
управляющих и возмущающих. Различают следующие типы управляемых объектов:

• природные (естественные) - процессы в живых организмах, экологических и экономических системах;

• технические - механизмы (роботы, станки, транспортные системы), оптические системы, термодинамические, химические и любые другие производственные процессы.

Состояния объекта характеризуется количественными величинами - переменными состояния или координатами, изменяющимися во времени. В естественных процессах это могут быть плотность или содержание определенного вещества в организме или среде обитания, объем выпускаемой продукции, курс ценных бумаг и т. д. Для технических объектов - это механические перемещения и их скорости, электрические переменные, концентрации веществ, и любые другие физические величины и параметры состояния объектов.

Изменение состояния объектов управления происходит в результате воздействия на объекты внешних факторов, среди которых выделяют:

• управляющие (целенаправленные) воздействия, реализующие программу управления;

• возмущающие (дестабилизирующие) воздействия, препятствующие желаемому протеканию управляемого процесса, вызывающие нежелательное изменение его состояния.

Цель управления - изменение состояния объекта в соответствии с определенным заданным законом. Для достижения объектом
цели управления организуется специальное внешнее воздей-
ствие, которое формируется управляющим устройством (блоком управления) на
основе сигналов задающего воздействия (задания) и воздействия об-
ратной связи по известному алгоритму, или закону управле-
ния. Совокупность указанных элементов, связей и отношений
между элементами системы управления образует структу-
ру системы управления.

Возмущающие воздействия обычно вызваны внешними причинами, внешним окружением объекта или внешней средой. Наличие возмущений приводит к тому, что реальное состояние объекта всегда отличается от заданного. Величина этого различия зависит от стратегии управления, эффективности работы системы управления, от взаимодействия элементов системы в ходе выполнения задания, и оценивается показателями качества управления.

Физически управление объектом реализуется с помощью блоков управления и блоков контроля. Блок контроля - это комплекс средств оценивания состояния управляемого процесса и/или внешней среды. К таким средствам относятся органы чувств живых организмов, статистические службы экономических систем, технические измерительные устройства (датчики), соответствующие вычислительные средства (природные или технические), обеспечивающие первичную обработку полученной информации.

Комплекс взаимосвязанных элементов, участвующих в оценивании состояния объекта, называется системой контроля. Она может рассматриваться как самостоятельная система, так и в виде составной части системы управления. Оценка состояния, полученная в результате работы блока контроля, используется для управления объектом по цепи обратных связей и реализации принципа замкнутого управления.

Блок управления вырабатывает управляющее воздействие на объект с учетом задания и информации о текущем состоянии объекта. К блокам управления можно отнести:

• нейронные системы живых организмов;

• природные регулирующие факторы;

• искусственные средства, как технические (механические, электрические блоки, ЭВМ и нейронные процессоры), так и человеческие (операторы, организаторы).

В зависимости от природы можно выделить биологические, экологические, экономические и технические системы управления. В качестве примеров технических систем можно привести автоматы дискретного действия (торговые, игровые, музыкальные), системы стабилизации уровня (звука, изображения, магнитной записи), системы управления движением рабочих механизмов (станков, транспортных средств), управляющие комплексы летательных аппаратов, в составе которых системы управления двигателями, рулевыми механизмами, автопилоты, навигационные системы, и т. п.

Основным предметом теории автоматического управления являются системы автоматического управления (САУ), автоматического контроля, и автоматизированные системы. Системы автоматического управления и автоматического контроля выполняют свои функции автоматически, без осознанного участия человека. В автоматизированных системах часть функций выполняется автоматически, а часть - оператором (организатором).

Рассмотрим в общем виде задачу управления некоторой системой. Пусть состояние системы описывается переменной y Î A, где А - множество возможных состояний системы. Значение 'y' зависит от управляющих воздействий h Î U: y = G(h), где G(h) – функция управления. Предположим, что на множестве {U х A} задан функционал F(h, y), определяющий эффективность работы системы (с точки зрения управляющего органа). Величина K(h) = F(h, G(h)) называется эффективностью управления. Задача управляющего органа заключается в выборе такого воздействия h, которое максимизировало бы значение его эффективности.

Основными задачами теории управления являются задачи анализа динамических свойств систем управления на модельном или физическом уровне, и задачи синтеза — определение алгоритма управления, реализация на основе этого алгоритма функциональной структуры системы управления, удовлетворяющей требованиям качества и точности.

В зависимости от решаемых задач выделяют следующие типы систем:

1. Системы стабилизации - поддерживание некоторых управляемых переменных системы y(t) на заданном постоянном уровне. Примеры систем – устройства регулирования частоты вращения двигателей, системы автоматической стабилизации курса самолетов (автопилоты).

2. Системы программного управления - программные изменения управляемых переменных системы по заданному закону (правилу, программе). Примеры систем - изменение тяги двигателей ракеты для движения по заданной траектории, управление токарным станком с числовым программным управлением при изготовлении определенных деталей.

3. Следящие системы - изменение выходной величины путем слежения за произвольно изменяемым во времени входным управляющим воздействием. Примеры систем - управление самонаводящихся ракет-перехватчиков, управление технологическим процессом загрузки конверторов в металлургическом производстве.

4. Адаптивные системы - изменение выходной величины по заранее неизвестному закону (правилу) методом пробных управляющих воздействий с учетом изменения среды и с оценкой результатов воздействий по определенным параметрам. Например, изменение цены товара в магазине в зависимости от спроса и цены аналогичных товаров в ближайших окрестностях с оптимизацией по максимуму прибыльности.

Задающее воздействие в системах стабилизации неизменно, в системах программного управления — известная функция времени, в следящих и адаптивных системах — произвольная функция времени.

Активные и пассивные системы. Разделение систем на эти две группы производится по особенностям функций управления системами.

Для пассивной системы зависимость y = G(h) является, фактически, моделью системы, отражающей законы ее функционирования. Для динамической системы эта зависимость может являться решением системы дифференциальных уравнений, для "черного ящика" – таблицей результатов эксперимента (эталонирования), и т.д.

Общим для всех пассивных систем является их детерминированность, отсутствие у управляемого объекта свободы выбора своего состояния, собственных целей и средств их достижения. Пассивные системы относятся, как правило, к числу технических и технологических. Управление объектами с помощью технических средств без участия человека называется автоматическим управлением. Совокупность объектов управления и средств автоматического управления называется системой автоматического управления (САУ).

В активных системах управляемые субъекты (хотя бы один) обладают свойством активности, свободой выбора своего состояния. Помимо возможности выбора состояния, элементы активный систем обладают собственными интересами и предпочтениями, то есть могут осуществлять выбор состояния целенаправленно. Соответственно модель системы G(h) должна учитывать проявления активности управляемых субъектов. Считается, что управляемые субъекты стремятся к выбору таких состояний, которые являются наилучшими при заданных управляющих воздействиях, а управляющие воздействия, в свою очередь, зависят от состояний управляемых субъектов. Если управляющий орган имеет модель реальной активной системы, которая адекватно описывает ее поведение, то задача управления сводится к выбору оптимального управления, максимизирующего эффективность работы системы. В своем большинстве активные системы принадлежат к областям управления человеческими коллективами.

Субъекты и объекты управления. Суть всякого управления состоит в организации и реализации целенаправленного воздействия на объект управления и представляет собой процесс выработки и осуществления операции воздействия на объект в целях перевода его в новое качественное состояние или поддержания в установленном режиме. Субъект управления – это устройство, которое осуществляет управление (или тот, кто управляет). Объект управления – это устройство или процесс, на который направляется управляющее воздействие (или тот, кем управляют).

Под объектом управления (ОУ) понимается любой объект, технологический процесс, производственная организация или коллектив людей, выделенный из окружающей среды по определенным признакам (конструктивным, функциональным, и пр.) и представляющий собой динамическую систему произвольной природы, изменяющую свое состояние под влиянием внешних воздействий. Для достижения определенных желаемых результатов функционирования ОУ необходимы и допустимы специально организованные воздействия. В зависимости от свойств и назначения объектов управления могут быть выделены технические, технологические, экономические, организационные, социальные и другие объекты и комплексы объектов.

Объект управления выделяется из окружающей среды таким образом, чтобы выполнялись минимум два условия:

- на объект можно воздействовать,

- это воздействие изменяет его состояние в определенном нужном для нас направлении.

Внешние связи объекта управления показаны на рис. 1.2.2, где Х – канал воздействия среды на объект, Y – канал воздействия объекта на среду, U – канал воздействия управления на объект. Понятие "воздействие" в теории управления рассматривается в информационном смысле.

Операция управления реализуется управляющим устройством (УУ). Обобщенная структура взаимодействия управляющего устройства с объектом управления, образующая систему управления, приведена на рис. 1.2.2. Управляющее устройство системы на основании задающего воздействия g(t), определяющим закон (алгоритм) управления выходной величины объекта управления, вырабатывает управляющее воздействие u(t) на ОУ и поддерживает на заданном уровне или изменяет по определенному закону на выходе ОУ выходную величину y(t).

На ОУ могут действовать внешние возмущающие воздействия x(t). Выделяют основные возмущения, существенно влияющие на регулируемую величину, и помехи (шумы), имеющие статистический характер и изменяющие u(t) в допустимых границах (по значению или по точности). Основные возмущения, как правило, в определенной степени учитываются (компенсируются) управляющим устройством. Система может иметь обратную связь у_ос(t) с выхода ОУ на вход УУ, которая при формировании сигнала управления u(t) учитывает предшествующие значения (состояния) y(t). Системы с обратной связью называют замкнутыми системами, без обратной связи – разомкнутыми.

Типовая функциональная схема системы управления приведена на рис. 1.2.3. Цель и алгоритм управления по отношению к системе имеют внешний характер, так как определяются не данной системой, а системой (субъектом управления) с более высоким уровнем иерархии. При этом цель имеет универсальный характер, регламентирующий управление, так как охватывает как системы с заранее известным алгоритмом управления, так и системы, в которых управляющие воздействия формируются только на основе знания цели.

САУ производственных процессов, как правило, представляют собой замкнутую структуру. Выходной величиной ОУ САУ является обычно главный технологический параметр объекта (скорость, мощность, и т.п.).

Методы управления - это набор способов, приемов, средств воздействия на управляемый объект. По содержанию воздействия на объект управления методы обычно делятся на технические, технологические, программные и прочие в производственных системах автоматического управления, и организационные, экономические, и другие в хозяйственных и корпоративных системах.

Методы управления в производственных системах (САУ) определяются техническими параметрами управляемых объектов, в хозяйственных и корпоративных системах – структурой систем и целевыми задачами управления.

Управляющие параметры. В математических моделях управления используются различные виды переменных. Одни из них описывают состояние системы, другие – выход системы, т.е. результаты ее работы, третьи – управляющие воздействия. Выделяют экзогенные переменные, значения которых определяются извне, и эндогенные переменные, используемые только для описания процессов внутри системы.

Управляющие параметры – часть экзогенных. Задавая их значения (или изменения этих переменных во времени), можно изменять выход системы в нужную для себя сторону.