Примеры системы управления техническими устройствами: Приведите примеры систем управления техническими устройствами — Знания.site

Информационные процессы в различных системах

§ 1.1. Информация в природе, обществе и технике

Содержание урока

1.1.3. Человек: информация и информационные процессы

1.1.4. Информация и информационные процессы в технике

Лабораторная работа № 1 «Знакомимся с видами и свойствами информации»

1.1.4. Информация и информационные процессы в технике

Системы управления техническими устройствами. Функционирование систем управления техническими устройствами связано с информационными процессами, т. е. процессами приема, хранения, обработки и передачи информации. Системы управления могут выполнять различные функции. Например, такие системы могут поддерживать определенное состояние технической системы.

Так системы автоматической терморегуляции холодильника, утюга и кондиционера обеспечивают поддержание заданной температуры. В системе терморегуляции управляющее устройство получает информацию от температурных датчиков, обрабатывает ее (сравнивает реальную температуру с заданной) и передает команды нагревательному элементу (усилить или уменьшить нагрев) (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Система управления, регулирующая температуру

Системы управления встроены практически во всю современную бытовую технику, станки с числовым программным управлением, транспортные средства и пр.

Системы управления могут обеспечивать функционирование технической системы по заданной программе. Например, системы программного управления обеспечивают стирку в стиральной машине в заданном режиме, обработку детали на станке с программным управлением.

В некоторых случаях главную роль в процессе управления выполняет человек, в других управление осуществляет встроенный в техническое устройство микропроцессор или подключенный компьютер. Например, управление полетом самолета может осуществлять летчик или в режиме автопилота бортовой компьютер. Они получают информацию о режиме полета от датчиков (скорости, высоты и пр.), обрабатывают ее и передают команды на исполнительные механизмы (закрылки, клапаны, регулирующие работу двигателей, и пр.), изменяющие режим полета.

Первый микропроцессор Intel 4004, «дедушка» современных процессоров, был разработан в 1971 году специально для использования в автоматизированных системах управления. Процессор включал 2300 электронных переключателей, обладал памятью объемом 640 байтов и мог выполнять 100 тысяч операций в секунду (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Первый микропроцессор Intel 4004

Роботы. Роботами называются автоматические устройства, предназначенные для осуществления производственных, научных и других работ. Роботы могут иметь различные внешний вид и размеры, но все они выполняют действия на основании заложенной в них программы обработки информации.

Промышленные роботы обычно заменяют человека в тех отраслях производства, где требуется проведение утомительных и однообразных работ (например, конвейерная сборка автомобилей и электронных устройств), опасных технических работ (например, работа с радиоактивными материалами), а также работ, где присутствие человека физически невозможно (например, автоматические космические и глубоководные аппараты).

В последние годы появились роботы, оснащенные органами чувств, аналогичными органам чувств человека (зрение, слух, тактильные ощущения), имеющие память и способные обрабатывать полученную информацию и осуществлять целенаправленные действия. Такие роботы могут работать дома (уже производится робот-пылесос), в больнице (экспериментальные образцы разносят больным лекарства), на других планетах (луноходы и марсоходы путешествуют по поверхностям небесных тел) и т. д.

Большой интерес всегда вызывают роботы, подобные человеку или животным по внешнему виду и действиям. Они могут ходить, преодолевать препятствия, реагировать на внешние раздражители и даже разговаривать (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Собакообразный и человекообразный роботы

Контрольные вопросы

1. Приведите примеры систем управления техническими устройствами.

2. Подготовьте доклад об использовании роботов в различных сферах деятельности.

Cкачать материалы урока

Управление техническими системами — Викиучебник

Предмет ведения ТАУ ТС.Управление. Классификация САУ. Дифференциальные уравнения в мат. описании САУ. Изучаемые теории САУ их уравнения.

Данный курс называется полностью «теория автоматического управления в технических системах» (ТАУ ТС), в дальнейшем будет использоваться название «Управление техническими системами» и сокращение УТС. Тем , кто не является инженером или не обучается на него для понимания предмета курса не лишним будет уточнить следующие термины

Автоматика — отрасль науки и техники, охватывающая совокупность методов и технических средств , освобождающих человека от непосредственного выполнения операций по контролю над производственными процессами и техническими устройствами.

Кибернетика — наука об общих закономерностях процессов управления в различных системах. Она может подразделяется на медицинскую, биологическую и техническую кибернетику.

Управление — переведение системы из состояния А в состояние Б путём управляющего воздействия. Как правило данное воздействие осуществляется малыми массами и энергиями на объект большой массы и энергии.

Автоматизация — замена умственной деятельности человека работой автоматов ( Для сравнения — механизация заменяет мускульную силу человека) .

Техническое устройство — совокупность машин и механизмов, выполняющих определённую функцию по преобразованию энергии и совершению полезной работы.

Обобщённая схема управления имеет следующий вид:

Хорошим примером такой системы является цепочка Разведка-Командир-Воинское подразделения, в которой командир на основании разведки вырабатывает управляющее воздействие для своих подчинённых. Если взять пример из техники, то в роли «разведки» может выступать например датчик углового перемещения в инерциальном пространстве(гироскоп), исполнительным устройством будет двигатель, который выставит платформу в соответствии с показаниями гироскопа, а «командиром» будет передающее звено, определяющее коэффициент усиления системы.

Частный случай управления — регулирование = выдерживание какого-либо параметра в соответствии с задающим сигналом. Наглядный пример- действия подчинённого, которому приказали при попытке атаки противника стрелять из пулемёта. Как видим число атакующих является параметром, которое надо выдерживать, с другой стороны это число влияет на поведение подчинённого. У нас таким образом замкнутая система регулирования. Графически она представляется так:

Где

g(t)-Задающее воздействие (Комманда коммандира)

x(t) — Регулируемая величина (Число атакующих)

e(t) — Ошибка регулирования =g(t)-x(t) (Число тех, кого надо застрелить из пулёмёта, чтобы выполнить приказ коммандира)

На основании g(t) Регулятором формируется регулирующее воздействие u(t) ( Огонь из пулёмёта). Также у нас есть возмущающее воздействие f(t), которое приводит к появлению e(t) ( Например кто-то из атакующих стал передвигаться ползком) . Есть возмущающие воздействия , которые поддаются измерению, а есть неподдающаяся.

Классификация САУ

• I. По виду задающего воздействия

1. g=const -систематическая стабилизация.
2. g(t) = переменная — следящая стабилизация
3. g(t) = переменная, нет обратной связи — система программного регулирования.

• II По наличию/ отсутствию ОС.

• Отсутствует ОС (разомкнутая система)
• Присутствует ОС (замкнутая система)

• III По виду энергии.

• Механическая
• Электрическая

• IV. По принципу регулирования

1. Регулирование по отклонению (e(t) )
2. Регулирование по возмущению (f(t))
3. Комбинированная система.

Системы бывают одномерными и многомерными. У многомерных систем есть несколько задающих воздействий и регулируемых величин.Имеются также адаптивные системы (будут подробно рассмотрены позже) . Они делятся на ( от самой «тупой» до самой «интеллектуальной» )

• Самонастраивающиеся
• Самоорганизующиеся
• Саморегулирующиеся.

Системы автоматического управления (САУ) описываются с помощью математической модели. Решение данной модели позволяет прогнозировать её свойства и реакцию на те или иные действия. При описании матмодели чаще всего используются дифференциальные уравнения. Напомним, что дифференциальные уравнения , это уравнения, состоящие помимо самой переменной x, из производных этой переменной различного порядка , н. dx/dt (первая производная) d2x/dt2{\displaystyle d^{2}x/dt^{2}} (вторая производная).

Если в уравнениях используются только первые степени x и их производных, то это линейные дифуравнения. Они решаются чаще всего методом подстановки x=elt{\displaystyle x=e^{lt}} c последующим нахождением l . Мы в данном курсе будем чаще всего их решать с помощью S-преобразования в алгебраические уравнения.

В данном учебнике будут изучаться теории

• Линейных САУ (основная часть курса)
• Нелинейных САУ
• Дискретно-непрерывных САУ
• Теория стохастических САУ.

Линейные системы описываются линейными дифуравнениями вида:

an∗dnx/dtn+…a1dx/dt+aox=bmdmu/dtm+b1du/dt+bou{\displaystyle a_{n}*d^{n}x/dt^{n}+…a_{1}dx/dt+a_{o}x=b_{m}d^{m}u/dt^{m}+b_{1}du/dt+b_{o}u}

Если ai=const{\displaystyle a_{i}=const} , то это стационарная система, а если зависит от t, то нестационарная.
Нелинейные системы соответственно записываются нелинейными дифуравненими:

dnx/dtn=f(x,dx/dt,..dn−1x/dtn−1,u,du/dt…,dmu/dtm{\displaystyle d^{n}x/dt^{n}=f(x,dx/dt,..d^{n-1}x/dt^{n-1},u,du/dt…,d^{m}u/dt^{m}}

У дискретно-непрерывных систем будут уравнения:

anx[n+k]+an−1x[n+k−1]+…+a0x[n]=bmx[m+k]+bm−1x[m+k−1]+…+b0x[m]{\displaystyle a_{n}x[n+k]+a_{n-1}x[n+k-1]+…+a_{0}x[n]=b_{m}x[m+k]+b_{m-1}x[m+k-1]+…+b_{0}x[m]}

В стохастических САУ используют процессы вероятностного характера.

Обобщённая схема САР. Элементы автоматики. Типовые виды воздействий .Математическое описание САР.

Обобщённая функциональная схема САР имеет такой вид:

Элементы 1-3, 9,10 составляют датчик , а 4-8 — севромеханизм.
Расшифровка элементов.

1. Измерительные элементы входного сигнала. Преобразует его к форме, удобной для последующего сравнения.

2.Сравнение — вырабатывает сигнал ошибки , сравнивая истинный сигнал с сигналом на выходе.

3.Преобразователь сигнала ошибки — преобразует сигнал в форму, удобную для последующего усиления.

4. Последовательное корректирующее устройство. Исполнительное устройство чаще всего имеет фиксированную зависимость выходного сигнала от входного, не совпадающей с требуемой — для реализации требуемой функции необходимо преобразовать входной сигнал так, чтобы, будучи отработан исполнительным устройством, он бы давал нужную нам зависимость между выходом и входом.

5. Сравнение — местная обратная связь.

7. Исполнительное устройство — непосредственно воздействует на объект регулирования.

8. Параллельные корректирующие устройства для местной ОС — для той же цели , что 4, но тут соответствующим образом изменяется не входная информация, а информация от ОС.

9. Измерительное устройство истинного значения регулируемой величины.

10. Преобразователь главной обратной связи. Позволяет преобразовать сигнал измерителя к форме , удобной для сравнения.

Элементы автоматики подразделяются на

-Измерительные

-Промежуточные

-Исполнительные

Промежуточные делятся на

-Усилительные

-Преобразовательные

-Вычислительные.

При изучении свойств САР были установлены некоторые типовые воздействия ,реакция на которые достаточно полно характеризует эти свойства.
Наиболее частым воздействием является ступенчатое воздействие. Ступенчатое воздействие означает , что входной сигнал скачком изменил своё значение с А на Б. Для линейных систем реакцию на любое такое воздействие можно понять, зная реакцию на единичное воздействие (А=0, Б=1). Закон , мгновенно вступающий в силу с такого то времени является таким ступенчатым воздействием. Реакция на сие воздействие — переходная функция системы.
Реже используется импульсное воздействие. В идеале это воздействие с бесконечной амплитудой за бесконечно малый промежуток времени. Реакция на них — импульсная переходная функция.
Ещё реже используется прямоугольная волна ( ступенчатое воздействие от А до Б , через период T/2 от Б до А, через период Т всё повторяется), синусоидальное воздействие и т.д.
Ещё есть дискретное воздействие заключающаяся в подаче импульсов разной амплитуды через определённые промежутки времени.

Математическая модель системы может строиться на априорной информации ( до опыта, из теоретических соображений) и на экспериментальной информации. Чаще всего в технике (при разработке системы) используют априорную информацию.
Перед построением мат модели часто полезно построить схему той или иной системы. Так как исторически наиболее хорошо проработанными являются схемы электрические , то про построении схем механических и других процессов используют метод электроаналогии, когда процесс, имеющий то же математическое описание, что и электрический обозначают тем же электрическим элементом. Чтобы продемонстрировать этот метод распишем электрические обозначения и их аналоги в механике( наиболее часто используемая аналогия) и в производящей системе.

Преобразование Хевисайда. Преобразование Лапласа. Устойчивость системы. Условие устойчивости. Критерий устойчивости Гурвица и Льенара-Шипара. Общая постановка задачи устойчивости.

Как уже говорилось, линейные системы описываются с помощью дифференциальных уравнений. Ввиду их относительной сложности сведение их к уравнениям алгебраическим сильно упростит задачу их решения. Методика такого сведения была впервые предложена Хевисайдом. Суть её в том, чтобы заменять взятие производной умножением на оператор p. Таким образом уравнение

an∗dnx/dtn+…a1dx/dt+aox=bmdmu/dtm+b1du/dt+bou{\displaystyle a_{n}*d^{n}x/dt^{n}+…a_{1}dx/dt+a_{o}x=b_{m}d^{m}u/dt^{m}+b_{1}du/dt+b_{o}u} (3.1)

примет вид

an∗pnx+…a1px+aox=bpmu+b1pu+b0u{\displaystyle a_{n}*p^{n}x+…a_{1}px+a_{o}x=b_{p}^{m}u+b_{1}pu+b_{0}u} (3.2)

Метод широко применяется в электротехнике.
Его недостаток — то, что не учитываются начальные условия- значение x , u и их производных при t=0.

Этого недостатка лишено более строгое математическое преобразование — преобразование Лапласа. Суть этого преобразования заключается в записи вместо х(t) некоего x(s) причём

∫0∞x(t)∗e−stdt{\displaystyle \int _{0}^{\infty }x(t)*e^{-st}dt} (3.3)

На деле преобразование проводится по таблицам.Ниже представлена таблица преобразования Лапласа для некоторых функций
Ниже представлена таблица преобразования Лапласа для некоторых функций.

После решения системы производится обратное преобразование. Уравнение в операторной форме имеет вид

an∗snx+…a1sx+aox=bsmu+b1su+s0u{\displaystyle a_{n}*s^{n}x+…a_{1}sx+a_{o}x=b_{s}^{m}u+b_{1}su+s_{0}u} или

(an∗sn+…a1s+ao)x=(bsm+b1s+s0)u{\displaystyle (a_{n}*s^{n}+…a_{1}s+a_{o})x=(b_{s}^{m}+b_{1}s+s_{0})u}или

A(s)*x(s)=B(s)*u(s) (3.4) где A(s), B(s) — полиномы из степеней s.

В такой форме записи существует такое понятие, как передаточная функция W(s).

W(s)=x(s)/u(s)=B(s)/A(s).

Очень часто W(s) можно разложить на несколько множителей, среди которых типовые множители ( звенья ) такие:

Wi(s)=const -усиливающее звено.

Wi(s)=1/(Ts+1)- апериодическое звено.

Wi(s)=1/(Ts2+2ξTs+1){\displaystyle 1/(Ts^{2}+2\xi Ts+1)}- колебательное звено.

Wi(s)=1/s- интегрирующее звено.

Wi(s)=Ts- дифференцирующее звено.

Wi(s)=Ts+1- дифференцирующее звено 1-го порядка.

Wi(s)=Ts2+2ξTs+1{\displaystyle Ts^{2}+2\xi Ts+1} — дифференцирующее звено 2-го порядка.

Как уже упоминалось, решение дифференциального уравнения делится на общее однородное и частное неоднородное.

x(t)=xoo(t)+xchn(t){\displaystyle x(t)=x_{oo}(t)+x_{chn}(t)} (3.4)

Если система при устремление t к бесконечности решение будет приближаться к частному неоднородному, что система устойчива. Если разница при устремлении t к бесконечности
xoo(t){\displaystyle x_{oo}(t)} не будет стремится к 0, а будет стремится к бесконечности, то система неустойчива. Если не будет стремления ни к 0 не к бесконечности, то перед нами пограничный случай.Ясно, что неустойчивая система ведёт к непредсказуемым результатам, выходящим за рамки возможностей любой реальной системы, что приведёт или к её поломке и/или к неполучению нужного результата. Поэтому задача анализа системы на устойчивость является принципиальной при работе с системами.
Уже отмечалось, что решение дифференциального уравнения первого порядка производится методом подстановки xoo(t)=eλt{\displaystyle x_{oo}(t)=e^{\lambda t}} . Для уравнения n-го порядка решение будет иметь вид:

xoo(t)=C1eλ1t+…+Cneλnt{\displaystyle x_{oo}(t)=C_{1}e^{\lambda _{1}t}+…+C_{n}e^{\lambda _{n}t}} (3.5)

В общем случае все коэффициенты λ1…+λn{\displaystyle \lambda _{1}…+\lambda _{n}} комплексные и равны
λi=αi+iβi{\displaystyle \lambda _{i}=\alpha _{i}+i\beta _{i}}
Совершенно очевидно, что решения будет устойчиво только в том случае, если все αi<0{\displaystyle \alpha _{i}<0} , иначе система будет неустойчива (Экспонента с положительным показателем стремится к бесконечности).
Не всегда, однако система является линейной и её так просто решить и проверить на устойчивость. В этом случае на помощь приходят теоремы Ляпунова, которые позволяют определить устойчивость только лишь линеаризованной части системы и на этом основании сделать вывод о всей системе.

1-я теорема Ляпунова. Если все корни характеристического уравнения линеаризованной системы находятся в отрицательной действительной части комплексной плоскости (т.е. αi<0{\displaystyle \alpha _{i}<0}), то исходная нелинейная система устойчива.

2-я теорема Ляпунова. Если хотя бы один корень характеристического уравнения линеаризованной системы находятся в положительной действительной части комплексной плоскости (т.е. αi>0{\displaystyle \alpha _{i}>0}), то исходная нелинейная система неустойчива.

Если линейная система получилось нейтральной, то по ней нельзя судить об устойчивости и надо рассматривать нелинейную систему. Такой случай называется критическим.
Также для решения систем используют запись уравнений в отклонениях от положения равновесия. Поясним:
Пусть у нас есть уравнение dyi/dt=Yi(y1,y2,…yn){\displaystyle dy_{i}/dt=Y_{i}(y_{1},y_{2},…y_{n})}
Пусть у нас есть точка равновесия при t=∞{\displaystyle t=\infty } со значениями y1∗…yn∗{\displaystyle y_{1}^{*}…y_{n}^{*}} . Тогда записав yi=xi+yi∗{\displaystyle y_{i}=x_{i}+y_{i}^{*}} помещают точку равновесия в 0, решая уравнения dxi/dt=Xi(x1,x2,…xn){\displaystyle dx_{i}/dt=X_{i}(x_{1},x_{2},…x_{n})}. Видно, что запись в такой форме не влияет на путь сходимости, а только её точку.

Одним из наиболее распространённым способом определения устойчивости системы является метод Гурвица. Пусть у нас есть уравнение, записанное в операторной форме.

a0∗snx+…an−1sx+anx=0{\displaystyle a_{0}*s^{n}x+…a_{n-1}sx+a_{n}x=0} (3.6)

Тогда , если a0>0{\displaystyle a_{0}>0} и матрица формы имеет вид:

Hf=(a11a31…an1a02a22…an2a11a31…an1a02a22…an2⋮⋮…an1){\displaystyle H_{f}={\begin{pmatrix}a_{1}^{1}&a_{3}^{1}&\dots &a_{n}^{1}&&\\a_{0}^{2}&a_{2}^{2}&\dots &a_{n}^{2}&&\\&a_{1}^{1}&a_{3}^{1}&\dots &a_{n}^{1}&\\&a_{0}^{2}&a_{2}^{2}&\dots &a_{n}^{2}&\\&\vdots &&&\vdots &\\&&&&\dots &a_{n}^{1}\end{pmatrix}}} (3.7) -Матрица Гурвица

Если все диагональные миноры этой матрицы положительны, то система устойчива. Это критерий устойчивости Гурвица. Напомним:

Диагональные миноры— это миноры, включающие в себя n первых диагональных элементов, если размерность минора n*n.

Минор — определитель квадратной матрицы, полученная путём «взятие» из основной матрицы n любых строк и столбцов. (Т.е. сначала выбираем из матрицы n строк, потом в этих строках n столбцов. Получится матрица размером n*n). Под положительностью минора понимают положительность его определителя.

Определитель — для матрицы 2*2 вида

Δ=|a11a12a21a22|=a11a22−a12a21{\displaystyle \Delta ={\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{21}&a_{22}\end{vmatrix}}=a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21}}

Для матрицы 3х3 это сумма элементов 3-й стоки , умноженных на миноры, не содержащие той же строки и того же столбца, что и эти элементы. Аналогично для матриц более высокого порядка.
Было доказано, что необязательно вычислять все диагональные миноры, а можно вычислить только чётные или нечётные и если они положительны, то система устойчива. Это- критерий устойчивости Льенара-Шипара.

Описание САР в терминах пространства состояния. Управляемость и наблюдаемость САР. Методы анализа САР.

Уравнения, которые описывают САР могут быть достаточно большого порядка. Как известно, уравнения выше 5-го порядка являются неразрешимыми, поэтому лучше описывать САР в таких переменных, которые давали бы уравнения не выше 1-го порядка. Такие переменные — переменные состояния. Совокупность переменных, описывающих систему называется пространством состояний. В терминах пространства состояний любую систему, которая на входной сигнал u даёт сигнал x описать уравнением:

x→˙=Ax→+Bu→{\displaystyle {\dot {\vec {x}}}=\mathbf {A} {\vec {x}}+\mathbf {B} {\vec {u}}} (4.1)

x→{\displaystyle {\vec {x}}} — вектор состояний

u→{\displaystyle {\vec {u}}} -вектор управляющих переменных ( управления)

A{\displaystyle \mathbf {A} } — матрица состояний

B{\displaystyle \mathbf {B} } — матрица управления.

Напомним, что умножение матрица размерностью nxm на вектор m происходит таким образом:
1. Записываем шаблон для вектора результата с местом для n элементов.
2. В первую строку результирующего вектора записываем сумму произведений элементов первой строки матрицы на столбец вектора.
3. Во вторую строку результирующего вектора записываем сумму произведений элементов второй строки матрицы на столбец вектора. И т.д.

Никакая САР невозможна без измерения своих сигналов -иначе мы просто не будем знать, выполняет ли она заданную функцию или нет. Существует специальное обозначение y→{\displaystyle {\vec {y}}} — вектор измерений. Мы можем измерять как любую переменную состояния системы, так и любое управляющее воздействие, а также любую их комбинацию. Поэтому вектор наблюдаемых переменных как правило не идентичен вектору состояний. В самой общей форме уравнения измерения будет иметь вид:

y→=Cx→+Du→{\displaystyle {\vec {y}}=\mathbf {C} {\vec {x}}+\mathbf {D} {\vec {u}}}, где С -матрица измерений, D — матрица прямой передачи

Поясним на примере составление уравнения в переменных состояния. Пусть у нас есть уравнение

T2∗d2x/dt2+2eTdx/dt+x=ku{\displaystyle T^{2}*d^{2}x/dt^{2}+2eTdx/dt+x=ku} (4.3)

Введём обозначение

x1=x{\displaystyle x_{1}=x} (4.4.1)

x2=dx/dt{\displaystyle x_{2}=dx/dt} (4.4.2)

Тогда имеем

dx1/dt=dx2{\displaystyle dx_{1}/dt=dx_{2}} (4.5.1)

dx2/dt=−2e/T∗x2−x1/T2+ku/T2{\displaystyle dx_{2}/dt=-2e/T*x_{2}-x_{1}/T^{2}+ku/T^{2}} (4.5.2)

или

|dx1/dtdx2/dt|=|01−1/T2−2e/T∗x2||x1x2|+|0k/T2|∗U{\displaystyle {\begin{vmatrix}dx_{1}/dt\\dx_{2}/dt\end{vmatrix}}={\begin{vmatrix}0&1\\-1/T^{2}&-2e/T*x_{2}\end{vmatrix}}{\begin{vmatrix}x_{1}\\x_{2}\end{vmatrix}}+{\begin{vmatrix}0\\k/T^{2}\end{vmatrix}}*U} (4.6)

Если систему за конечное время можно перевести из состояния

Примеры современных систем управления

СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Управление с использованием обратной связи—это неоспоримый факт нашей повседнев­ной жизни. Управлять автомобилем очень приятно, когда машина мгновенно реагирует на действия водителя. Многие автомобили с этой целью оснащены гидроусилителями руля и тормозов. Простая блок-схема системы управления движением автомобиля изображена на рис. 1.8 (а). Желаемое направление движения сравнивается с результатом измерения дей­ствительного направления и в итоге образуется ошибка, как показано на рис. 1.8 (б). Ин­формация о действительном направлении поставляется за счет визуальной и тактильной (телодвижение) обратной связи. Дополнительная обратная связь образуется ощущением рулевого колеса руками водителя (датчиком). Эта система с обратной связью является ана­логом хорошо известных систем управления курсом океанского лайнера или большого пассажирского самолета. На рис. 1.8 (в) изображена типичная реакция автомобиля на дей­ствия водителя.

Системы управления функционируют по замкнутому циклу, как показано на рис. 1.9. Если датчик является точным, то измеренное значение выхода системы равно его дейст­вительному значению. Разность между желаемым и действительным значениями выход­ной переменной, т. е. ошибка, поступает на управляющее устройство (например, усили­тель). С его выхода сигнал поступает на исполнительное устройство, которое воздейству­ет на объект управления таким образом, чтобы уменьшить ошибку. Например, если ко­рабль пытается отклониться от курса вправо, руль приводится в движение так, чтобы повернуть корабль влево. Система на рис. 1.9 — это система с отрицательной обратной связью, т. к. выходной сигнал вычитается из входного, а разность подается на вход уси­лителя.

На рис. 1.10 изображена замкнутая система ручного управления уровнем жидкости в баке. Входом является заданное значение уровня жидкости, который оператор обязан поддерживать (это значение он держит в памяти). В качестве усилителя выступает сам оператор, а датчиком являются его глаза. Оператор сравнивает действительное значение уровня с желаемым и открывает или закрывает вентиль, изменяя тем самым в нужном на­правлении отток жидкости.

Многие другие хорошо знакомые системы управления состоят из тех же основных элементов, которые показаны на рис. 1.9. Так, бытовой холодильник имеет устройство за­дания желаемой температуры, термометрический датчик, определяющий действительное значение температуры и величину ошибки, и компрессор, играющий роль усилителя мощности. Другими примерами моїут служить духовой шкаф, электропечь, водяной на­греватель. В промышленности повсеместно используются системы управления скоро-

о)

Реакция

автомобиля

(направление

движения)

О Время, t

е)

Рис. 1.8. (а) Система управления автомобилем с помощью рулевого механизма;

(б) Водитель определяет разность между желаемым и действительным направлением движения и воздействует на рулевое колесо;

(в) Типичная реакция автомобиля на действия водителя

Рис. 1.10

Система ручного управления уровнем жидкости в баке

стью, температурой, давлением, положением, толщиной, составом вещества, качеством изделий.

На современном этапе автоматизацию можно определить как технологию, использу­ющую запрограммированные команды, воздействующие на некоторый объект или про­цесс, и обратную связь, с помощью которой определяется, правильно ли исполнены эти команды. Автоматизация часто применяется к процессам, в управлении которыми ранее участвовал человек. После автоматизации процесс может функционировать без помощи или вмешательства человека. Фактически, большинство автоматизированных систем спо­собны выполнять свои функции с большей точностью и намного быстрее, чем это было при ручном управлении. Встречаются и частично автоматизированные процессы, в управлении которыми участвуют и люди, и роботы. Например, многие работы на линии сборки автомобилей требуют совместных действий человека-оператора и интеллектуаль­ного робота.

Робот — это управляемая компьютером машина, функционирующая фактически на тех же принципах, которые используются в системах автоматизации. Робототехнику можно определить как отдельную ветвь автоматизации, в которой проектируются автома­тические машины (т. е. роботы), призванные заменить труд человека. Поэтому роботы об­ладают определенными характеристиками, присущими человеку. Примером может слу­жить механический манипулятор, воспроизводящий движения человеческой руки и кис­ти. Отметим, что некоторые задачи автоматическая машина выполняет лучше человека, тогда как с другими лучше справляется человек. Это отражено в табл. 1.2.

Еще одной практически важной задачей является управление современным автомо­билем. Уже разработаны и внедряются системы управления подвеской, рулевым механиз­мом и двигателем. Новые автомобили оснащаются также системами привода на все четы­ре колеса и системами, препятствующими заносу.

На рис. 1.11 изображена трёхкоординатная система управления для контроля отдель­ных полупроводниковых пластин. Для перемещения элементов установки в заданное по­ложение по всем трем осям используются соответственно три электродвигателя. Система предназначена для обеспечения плавного и точного перемещения по каждой оси. Она вы­полняет очень ответственные функции в производстве полупроводниковых приборов.

Не так давно разгорелась серьезная дискуссия по поводу разрыва между теорией и практикой управления. Совершенно естественно, однако, что во многих областях деяте­льности теория опережает ее практические применения. Тем не менее, интересно, что в электроэнергетике — крупнейшей отрасли США — этот разрыв не столь значителен. Эта отрасль главным образом связана с преобразованием, контролем и распределением энер­гии. Поэтому естественно, что для повышения эффективности использования энергетиче­ских ресурсов всё шире внедряются компьютерные системы управления. Кроме того, осо­бую важность приобретает задача управления электростанциями с целью уменьшения выбросов в окружающую среду. В современных крупных электростанциях, мощность ко­торых превышает сотни мегаватт, системы автоматического управления крайне необхо­димы для поддержания такого соотношения между отдельными переменными, при кото­ром оптимизируется процесс производства энергии. Обычно скоординированное управ­ление производится более чем 90 переменными. На рис 1.12 показана упрощенная схема системы управления важнейшими переменными крупного парогенератора. Этот пример показывает важность измерения многих переменных, таких как давление и содержание кислорода, что дает компьютеру информацию для вычисления управляющих воздейст­вий. По оценочным данным, в США функционируют более 400000 цифровых систем управления.

На рис. 1.13 приведена блок-схема цифровой системы управления, в которой роль управляющего устройства выполняет компьютер. Именно в электроэнергетике находят практическое применение все новейшие достижения в технике управления. По-видимо­му, основным фактором, обусловливающим разрыв между теорией и практикой управле­нім, является отсутствие достаточно надежных средств измерения всех существенных для процесса управления переменных, включая качество и состав производимой продук­ции. По мере появления этих средств значительно возрастает и применение в промыш­ленности современных систем управления.

Другой важной отраслью, где достигнут значительный успех в автоматизации произ­водства, является металлургическая промышленность. Здесь во многих случаях решение прикладных задач опережает теорию. Например, на стане горячей прокатки стального ли­ста одновременно осуществляется управление температурой, шириной, толщиной и каче­ством листа.

Быстрый рост стоимости энергии и угроза сокращения ее потребления заставляют предпринимать новые усилия по эффективному автоматическому управлению энергети­ческим комплексом. С помощью компьютеров удается регулировать использование энер-

гии в промышленности, а также стабилизировать и равномерно распределять нагрузку в целях экономии топлива.

В последние годы значительно повысился интерес к применению принципа обрат­ной связи к управлению товарно-материальными запасами и их складированием. Растет также интерес к автоматизации управления сельскохозяйственным производством (фер­мами). Разработаны и прошли испытания автоматически управляемые силосные башни и тракторы. Важное значение имеют современные системы автоматического управления ветряными электрогенераторами, солнечными установками нагревания и охлаждения, ав­томобильными двигателями.

Теория систем управления имеет много практических приложений в биологии и био­медицине, в диагностике и протезировании. В организме человека иерархия систем управления простирается от клеточного уровня до центральной нервной системы и вклю­чает в себя регуляцию температуры, сердечно-сосудистой деятельности и дыхательного ритма. Большинство физиологических систем управления являются замкнутыми, но в то же время внутри каждого контура можно обнаружить цепь вложенных контуров. Таким образом, моделирование биологических процессов приводит к построению систем высо­кого порядка и достаточно сложной структуры. В США устройства протезирования помо­гают миллионам инвалидов преодолеть их физические недостатки. На рис. 1.14 показана искусственная рука, использующая обратную связь по усилию, которая управляется био-

1.1. Автоматическая сборка и роботы

электрическими (электромиографическими) сигналами, направляемыми к ампутирован­ной конечности.

Наконец, большой интерес представляют попытки построения моделей процессов с обратной связью, имеющих место в социальной, экономической и политической сферах. Эти методы разработаны пока недостаточно, но, скорее всего, будут востребованы в бли­жайшие годы. Любая общественная формация состоит из множества систем с обратной связью и органов управления, руководящих движением общества в желаемом направле­нии. На рис. 1.15 изображена обобщенная модель системы управления статьей дохода на­ционального бюджета. Подобная модель помогает аналитику лучше понять роль правите­льства в управлении экономикой и динамику государственных расходов. Конечно, суще­ствуют и другие контуры, не показанные на схеме, хотя бы потому, что государственные расходы теоретически не могут превышать собранные налоги из-за опасности создания дефицита. В социалистическом государстве контур, включающий в себя потребителей, имеет меньшее значение, а основная роль принадлежит правительственному управлению. При этом блок «измерение» должен точно и быстро отслеживать все изменения поступле­ний, однако в бюрократической системе это сделать чрезвычайно трудно. Подобная мо­дель политической или социальной системы, хотя и является не очень строгой, но дает до­статочно информации для понимания протекающих процессов.

Системы управления с обратной связью широко применяются в промышленности. На рис. 1.16 показан лабораторный робот. В настоящее время в промышленных и лабора­торных условиях используются тысячи роботов. Роботы-манипуляторы способны подни­мать предметы весом в сотни килограмм и перемещать их с точностью до миллиметра.

Система управления — это… Что такое Система управления?

Структура управления — систематизированный (строго определенный) набор средств сбора сведений о подконтрольном объекте и средств воздействия на его поведение с целью 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. Системы управления с участием людей как объектов управления зачастую называют системами менеджмента.

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:

Типы систем автоматического управления

Обобщенная схема САУ

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

По цели управления

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

Системы автоматического регулирования

• Системы автоматической стабилизации. Выходное значение поддерживается на постоянном уровне (заданное значение — константа). Отклонения возникают за счёт возмущений и при включении.
• Системы программного регулирования. Заданное значение изменяется по заранее заданному программному закону f. Наряду с ошибками, встречающимися в системах автоматического регулирования, здесь также имеют место ошибки от инерционности регулятора.
• Следящие системы. Входное воздействие неизвестно. Оно определяется только в процессе функционирования системы. Ошибки очень сильно зависят от вида функции f(t).

Системы экстремального регулирования

Способны поддерживать экстремальное значение некоторого критерия (например, минимальное или максимальное), характеризующего качество функционирования данного объекта. Критерием качества, который обычно называют целевой функцией, показателем экстремума или экстремальной характеристикой, может быть либо непосредственно измеряемая физическая величина (например, температура, ток, напряжение, влажность, давление), либо КПД, производительность и др.

Выделяют:

• Системы с экстремальным регулятором релейного действия. Универсальный экстремальный регулятор должен быть хорошо масштабируемым устройством, способным исполнять большое количество вычислений в соответствии с различными методами.
  • Сигнум-регулятор используется как аналоговый анализатор качества, однозначно характеризующий лишь один подстраиваемый параметр систем. Он состоит из двух последовательно включенных устройств: Сигнум-реле (D-триггер) и исполнительный двигатель (интегратор).
  • Экстремальные системы с безинерционным объектом
  • Экстремальные системы с инерционным объектом
  • Экстремальные системы с плавающей характеристикой. Используется в случае, когда экстремум меняется непредсказуемым или сложно идентифицируемым образом.
• Системы с синхронным детектором (экстремальные системы непрерывного действия). В прямом канале имеется дифференцирующее звено, не пропускающее постоянную составляющую. Удалить или зашунтировать по каким-либо причинам это звено невозможно или неприменимо. Для обеспечения работоспособности системы используется модуляция задающего воздействия и кодирование сигнала в прямом канале, а после дифференцирующего звена устанавливают синхронный детектор фазы.

Адаптивные системы автоматического управления

Основная статья: Адаптивная система (теория управления)

Служат для обеспечения желаемого качества процесса при широком диапазоне изменения характеристик объектов управления и возмущений.

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

Характеристика САУ

В зависимости от описания переменных системы делятся на линейные и нелинейные. К линейным относятся системы, состоящие из элементов описания, которые задаются линейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями.

Если все параметры уравнения движения системы не меняются во времени, то такая система называется стационарной. Если хотя бы один параметр уравнения движения системы меняется во времени, то система называется нестационарной или с переменными параметрами.

Системы, в которых определены внешние (задающие) воздействия и описываются непрерывными или дискретными функциями во времени относятся к классу детерминированных систем.

Системы, в которых имеет место случайные сигнальные или параметрические воздействия и описываются стохастическими дифференциальными или разностными уравнениями относятся к классу стохастических систем.

Если в системе есть хотя бы один элемент, описание которого задается уравнением частных производных, то система относится к классу систем с распределенными переменными.

Системы, в которых непрерывная динамика, порождаемая в каждый момент времени, перемежается с дискретными командами, посылаемыми извне, называются гибридными системами.

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:

См. также

Ссылки

Литература

• Первозванский А. А. Курс теории автоматического управления. М., Наука, 1986
• Поляк Б. Т., Щербаков П. С. Робастная устойчивость и управление. М., Наука, 2002
• Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М., Наука, 1966
• Цыпкин Я. З. Основы теории автоматических систем. М., Наука, 1977
• Новиков Д. А. Теория управления организационными системами. 2-е изд. — М.: Физматлит, 2007.
• Красовский А. А. Динамика непрерывных самонастраивающихся систем. М. 1963
• Моросанов И. С. Релейные экстремальные системы. М., Наука, 1964
• Кунцевич В. М. Импульсные самонастраивающиеся и экстремальные системы автоматического управления. К, Наука, 1966
• Растригин Л. А. Системы экстремального управления. М., Наука, 1974

Техническая система — это… Что такое Техническая система?

Техническая система (ТС) — это материальный объект искусственного происхождения, который состоит из элементов (составных частей, различающихся свойствами, проявляющимися при взаимодействии) объединённых связями (линиями передачи единиц или потоков чего либо) и вступающих в определённые отношения (условия и способы реализации свойств элементов) между собой и с внешней средой, чтобы осуществить процесс (последовательность действий для изменения или поддержания состояния) и выполнить функцию ТС (цель, назначение, роль). ТС имеет структуру (строение, устройство, взаиморасположение элементов и связей, задающее устойчивость и воспроизводимость функции ТС). Каждая составная часть ТС имеет индивидуальное функциональное назначение (цели использования) в системе.

Функциональный состав и свойства объектов таксона «технические системы»^[1].

В каждой ТС существует функциональная часть — объект управления (ОУ). Функции ОУ в ТС заключаются в восприятии управляющих воздействий (УВ) и в изменении в соответствии с ними своего состояния. ОУ в ТС не выполняет функций принятия решений, то есть не формирует и не выбирает альтернативы своего поведения, а только реагирует на внешние (управляющие и возмущающие) воздействия, изменяя свои состояния предопределенным его конструкцией образом.

В объекте управления всегда могут быть выделены две функциональные части — сенсорная и исполнительная.

Сенсорная часть образована совокупностью технических устройств, непосредственной причиной изменения состояний каждого из которых является соответствующие ему и предназначенные для этого управляющие воздействия. Примеры сенсорных устройств: выключатели, переключатели, задвижки, заслонки, датчики и другие подобные им по функциональному назначению устройства управления техническими системами.

Исполнительная часть образована совокупностью материальных объектов, все или отдельные комбинации состояний которых рассматриваются в качестве целевых состояний технической системы, в которых она способна самостоятельно выполнять предусмотренные её конструкцией потребительские функции. Непосредственной причиной изменения состояний исполнительной части ТС (ОУ в ТС) являются изменения состояний её сенсорной части.

Классификационные признаки объектов таксона «технические системы»:

• представляют собой целостную совокупность конечного множества совзаимодействующих материальных объектов
• имеют условия штатной эксплуатации, предусмотренные их конструкцией
• содержат последовательно взаимодействующие друг с другом сенсорные и исполнительные функциональные части
• имеют модели управляемого предопределенного причинно-следственного поведения в пространстве достижимых равновесных устойчивых состояний
• имеют целевые состояния, соответствующие состояниям исполнительной части объекта управления в ТС
• имеют способность, находясь в целевых состояниях, самостоятельно выполнять потребительские функции

Техническая система — это целостная совокупность конечного числа взаимосвязанных материальных объектов, имеющая последовательно взаимодействующие сенсорную и исполнительную функциональные части, модель их предопределенного поведения в пространстве равновесных устойчивых состояний и способность, при нахождении хотя бы в одном из них (целевом состоянии), самостоятельно выполнять в штатных условиях предусмотренные её конструкцией потребительские функции.^[2]

Техническая подсистема — это часть системы, имеющая все признаки объектов таксона «технические системы». Техническая подсистема может быть частью некоторой системы, которая сама может не относиться к классу ТС.

Устройство — это целостная совокупность конечного числа взаимосвязанных материальных объектов, имеющая модель предопределенного поведения и равновесные устойчивые состояния в штатных условиях эксплуатации.

В определении понятия «устройство» учитывается, что оно как составная часть ТС также должно иметь равновесные устойчивые состояния, определяющие свойства целевых состояний системы в целом.

Деталь — неразделимый на элементы материальный и функциональный объект технической системы или устройства.

В этом определении учитывается, в частности, «функциональное» свойство детали, которое заключается в её способности выполнять отведенную ей конструктором роль в ТС, то есть быть исправной.

Литература

1. ↑ Кириллов Н. П. Признаки класса и определение понятия «технические системы» // Авиакосмическое приборостроение, № 8, 2009. С.32-38.
2. ↑ В определении использовано понятие «система», предложенное академиком Анохиным А. П. и дополненное в монографии: Карташев В. А. Система систем. Очерки общей теории и методологии. М.: Прогресс-Академия, 1995. — 416 с.

.

См. также

Система управления | технология | Британника

Система управления означает, что переменное количество или набор переменных величин приводится в соответствие с предписанной нормой. Он либо сохраняет значения контролируемых величин постоянными, либо заставляет их изменяться заданным образом. Система управления может приводиться в действие электричеством, механическими средствами, давлением текучей среды (жидкость или газ) или комбинацией средств. Когда в цепи управления задействован компьютер, обычно удобнее управлять всеми системами управления электрически, хотя довольно часто встречаются смеси.

Разработка систем управления.

Системы управления

тесно связаны с концепцией автоматизации ( q.v. ), но два основных типа систем управления, с прямой связью и обратной связью, имеют классическое происхождение. Ткацкий станок, изобретенный Жозефом Жаккаром из Франции в 1801 году, является ранним примером прямой связи; набор перфокарт, запрограммированных на ткацкие станки; никакая информация из процесса не использовалась для исправления работы машины. Подобное упреждающее управление было включено в ряд станков, изобретенных в 19 веке, в которых режущий инструмент повторял форму модели.

Управление с обратной связью, в котором информация из процесса используется для корректировки работы машины, имеет еще более давнюю историю. Римские инженеры поддерживали уровень воды в своей системе акведуков с помощью плавающих клапанов, которые открывались и закрывались на соответствующих уровнях. Голландская ветряная мельница 17-го века удерживалась против ветра благодаря действию вспомогательной лопасти, которая перемещала всю верхнюю часть мельницы. Самый известный пример промышленной революции — это управляющий шаром Джеймса Ватта 1769 года, устройство, которое регулировало поток пара в паровой двигатель для поддержания постоянной скорости двигателя, несмотря на изменяющуюся нагрузку.

Первый теоретический анализ системы управления, который представил модель регулятора Ватта на основе дифференциального уравнения, был опубликован Джеймсом Клерком Максвеллом, шотландским физиком, в 19 веке. Вскоре работа Максвелла была обобщена, и теория управления была развита на основе ряда работ, включая заметное исследование системы автоматического рулевого управления американского линкора «Нью-Мексико», опубликованное в 1922 году. В 1930-х годах появилась электрическая обратная связь в междугородной телефонной связи. усилителей и общей теории сервомеханизма, с помощью которой небольшое количество мощности управляет очень большим количеством и вносит автоматические поправки.За ним последовали пневматический контроллер, лежащий в основе разработки первых автоматизированных систем в химической и нефтяной промышленности, и аналоговый компьютер. Все эти разработки легли в основу разработки теории систем управления и приложений во время Второй мировой войны, таких как зенитные батареи и системы управления огнем.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской.
Подпишитесь сегодня

Большинство теоретических исследований, а также практических систем до Второй мировой войны были одноконтурными — i.е., они включали просто обратную связь из одной точки и корректировку из одной точки. В 1950-х годах исследовались возможности многоконтурных систем. В этих системах обратная связь может быть инициирована более чем в одной точке процесса, а исправления могут быть сделаны более чем в одной точке. Внедрение аналогового и цифрового вычислительного оборудования открыло путь для гораздо большей сложности теории автоматического управления, прогресса, получившего название «современное управление», чтобы отличить его от более старого, более простого «классического управления».”

Основные принципы.

За немногими и относительно незначительными исключениями, все современные системы управления имеют две общие характеристики. Их можно описать следующим образом: (1) Величина контролируемой величины изменяется с помощью двигателя (это слово используется в обобщенном смысле), который получает энергию от местного источника, а не от входящего сигнала. Таким образом, имеется большое количество энергии для осуществления необходимых изменений контролируемой величины и для гарантии того, что операции изменения регулируемой величины не загружают и не искажают сигналы, от которых зависит точность управления.(2) Скорость, с которой энергия подается в двигатель для изменения значения контролируемой величины, определяется более или менее напрямую некоторой функцией разницы между фактическим и желаемым значениями регулируемой величины. Таким образом, например, в случае термостатической системы нагрева подача топлива в печь определяется тем, выше или ниже фактическая температура, чем заданная температура. Система управления, обладающая этими фундаментальными характеристиками, называется системой управления с обратной связью или сервомеханизмом (см. Рисунок).Системы управления с обратной связью — это системы с прямой связью.

Основные компоненты типичной системы управления с обратной связью Encyclopædia Britannica, Inc.

Стабильность системы управления в значительной степени определяется ее реакцией на внезапно приложенный сигнал или переходный процесс. Если такой сигнал заставляет систему чрезмерно корректировать себя, может возникнуть явление, называемое «поиском», при котором система сначала чрезмерно корректирует себя в одном направлении, а затем чрезмерно корректирует себя в противоположном направлении.Поскольку охота нежелательна, обычно принимаются меры по ее исправлению. Самая распространенная корректирующая мера — это добавление демпфирования где-нибудь в системе. Демпфирование замедляет реакцию системы и позволяет избежать чрезмерных выбросов или корректировок. Демпфирование может проявляться в виде электрического сопротивления в электронной цепи, применения тормоза в механической цепи или нагнетания масла через небольшое отверстие, как при демпфировании амортизатора.

Еще один метод проверки устойчивости системы управления — определение ее частотной характеристики — i.е., — его реакция на непрерывно изменяющийся входной сигнал на различных частотах. Затем выходной сигнал системы управления сравнивается с входным сигналом по амплитуде и фазе — , то есть степень несогласованности входных и выходных сигналов. Частотная характеристика может быть определена экспериментально, особенно в электрических системах, или рассчитана математически, если постоянные системы известны. Математические вычисления особенно полезны для систем, которые можно описать обычными линейными дифференциальными уравнениями.Графические ярлыки также очень помогают в изучении реакции системы.

Несколько других методов используются при разработке современных систем управления. Адаптивное управление — это способность системы изменять свои собственные операции для достижения наилучшего режима работы. Общее определение адаптивного управления подразумевает, что адаптивная система должна быть способна выполнять следующие функции: предоставление непрерывной информации о текущем состоянии системы или идентификация процесса; сравнение текущей производительности системы с желаемой или оптимальной производительностью и принятие решения об изменении системы для достижения определенной оптимальной производительности; и инициирование надлежащей модификации для приведения системы управления в оптимальное состояние.Эти три принципа — идентификация, решение и модификация — присущи любой адаптивной системе.

Управление с динамической оптимизацией требует, чтобы система управления работала таким образом, чтобы удовлетворялся определенный критерий производительности. Этот критерий обычно формулируется таким образом, что управляемая система должна переместиться из исходного положения в новое за минимально возможное время или с минимальными общими затратами.

Управление обучением подразумевает, что система управления обладает достаточными вычислительными возможностями, так что она может создавать представления математической модели управляемой системы и может изменять свои собственные операции, чтобы воспользоваться преимуществами этих недавно разработанных знаний.Таким образом, обучающаяся система управления является дальнейшим развитием адаптивного контроллера.

Управление с несколькими переменными без взаимодействия включает большие системы, в которых размер внутренних переменных зависит от значений других связанных переменных процесса. Таким образом, однопетлевых методов классической теории управления будет недостаточно. Для разработки соответствующих систем управления такими процессами необходимо использовать более сложные методы.

.

Система управления | технология | Британника

Система управления означает, что переменное количество или набор переменных величин приводится в соответствие с предписанной нормой. Он либо сохраняет значения контролируемых величин постоянными, либо заставляет их изменяться заданным образом. Система управления может приводиться в действие электричеством, механическими средствами, давлением текучей среды (жидкость или газ) или комбинацией средств. Когда в цепи управления задействован компьютер, обычно удобнее управлять всеми системами управления электрически, хотя довольно часто встречаются смеси.

Разработка систем управления.

Системы управления

тесно связаны с концепцией автоматизации ( q.v. ), но два основных типа систем управления, с прямой связью и обратной связью, имеют классическое происхождение. Ткацкий станок, изобретенный Жозефом Жаккаром из Франции в 1801 году, является ранним примером прямой связи; набор перфокарт, запрограммированных на ткацкие станки; никакая информация из процесса не использовалась для исправления работы машины. Подобное упреждающее управление было включено в ряд станков, изобретенных в 19 веке, в которых режущий инструмент повторял форму модели.

Управление с обратной связью, в котором информация из процесса используется для корректировки работы машины, имеет еще более давнюю историю. Римские инженеры поддерживали уровень воды в своей системе акведуков с помощью плавающих клапанов, которые открывались и закрывались на соответствующих уровнях. Голландская ветряная мельница 17-го века удерживалась против ветра благодаря действию вспомогательной лопасти, которая перемещала всю верхнюю часть мельницы. Самый известный пример промышленной революции — это управляющий шаром Джеймса Ватта 1769 года, устройство, которое регулировало поток пара в паровой двигатель для поддержания постоянной скорости двигателя, несмотря на изменяющуюся нагрузку.

Первый теоретический анализ системы управления, который представил модель регулятора Ватта на основе дифференциального уравнения, был опубликован Джеймсом Клерком Максвеллом, шотландским физиком, в 19 веке. Вскоре работа Максвелла была обобщена, и теория управления была развита на основе ряда работ, включая заметное исследование системы автоматического рулевого управления американского линкора «Нью-Мексико», опубликованное в 1922 году. В 1930-х годах появилась электрическая обратная связь в междугородной телефонной связи. усилителей и общей теории сервомеханизма, с помощью которой небольшое количество мощности управляет очень большим количеством и вносит автоматические поправки.За ним последовали пневматический контроллер, лежащий в основе разработки первых автоматизированных систем в химической и нефтяной промышленности, и аналоговый компьютер. Все эти разработки легли в основу разработки теории систем управления и приложений во время Второй мировой войны, таких как зенитные батареи и системы управления огнем.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской.
Подпишитесь сегодня

Большинство теоретических исследований, а также практических систем до Второй мировой войны были одноконтурными — i.е., они включали просто обратную связь из одной точки и корректировку из одной точки. В 1950-х годах исследовались возможности многоконтурных систем. В этих системах обратная связь может быть инициирована более чем в одной точке процесса, а исправления могут быть сделаны более чем в одной точке. Внедрение аналогового и цифрового вычислительного оборудования открыло путь для гораздо большей сложности теории автоматического управления, прогресса, получившего название «современное управление», чтобы отличить его от более старого, более простого «классического управления».”

Основные принципы.

За немногими и относительно незначительными исключениями, все современные системы управления имеют две общие характеристики. Их можно описать следующим образом: (1) Величина контролируемой величины изменяется с помощью двигателя (это слово используется в обобщенном смысле), который получает энергию от местного источника, а не от входящего сигнала. Таким образом, имеется большое количество энергии для осуществления необходимых изменений контролируемой величины и для гарантии того, что операции изменения регулируемой величины не загружают и не искажают сигналы, от которых зависит точность управления.(2) Скорость, с которой энергия подается в двигатель для изменения значения контролируемой величины, определяется более или менее напрямую некоторой функцией разницы между фактическим и желаемым значениями регулируемой величины. Таким образом, например, в случае термостатической системы нагрева подача топлива в печь определяется тем, выше или ниже фактическая температура, чем заданная температура. Система управления, обладающая этими фундаментальными характеристиками, называется системой управления с обратной связью или сервомеханизмом (см. Рисунок).Системы управления с обратной связью — это системы с прямой связью.

Основные компоненты типичной системы управления с обратной связью Encyclopædia Britannica, Inc.

Стабильность системы управления в значительной степени определяется ее реакцией на внезапно приложенный сигнал или переходный процесс. Если такой сигнал заставляет систему чрезмерно корректировать себя, может возникнуть явление, называемое «поиском», при котором система сначала чрезмерно корректирует себя в одном направлении, а затем чрезмерно корректирует себя в противоположном направлении.Поскольку охота нежелательна, обычно принимаются меры по ее исправлению. Самая распространенная корректирующая мера — это добавление демпфирования где-нибудь в системе. Демпфирование замедляет реакцию системы и позволяет избежать чрезмерных выбросов или корректировок. Демпфирование может проявляться в виде электрического сопротивления в электронной цепи, применения тормоза в механической цепи или нагнетания масла через небольшое отверстие, как при демпфировании амортизатора.

Еще один метод проверки устойчивости системы управления — определение ее частотной характеристики — i.е., — его реакция на непрерывно изменяющийся входной сигнал на различных частотах. Затем выходной сигнал системы управления сравнивается с входным сигналом по амплитуде и фазе — , то есть степень несогласованности входных и выходных сигналов. Частотная характеристика может быть определена экспериментально, особенно в электрических системах, или рассчитана математически, если постоянные системы известны. Математические вычисления особенно полезны для систем, которые можно описать обычными линейными дифференциальными уравнениями.Графические ярлыки также очень помогают в изучении реакции системы.

Несколько других методов используются при разработке современных систем управления. Адаптивное управление — это способность системы изменять свои собственные операции для достижения наилучшего режима работы. Общее определение адаптивного управления подразумевает, что адаптивная система должна быть способна выполнять следующие функции: предоставление непрерывной информации о текущем состоянии системы или идентификация процесса; сравнение текущей производительности системы с желаемой или оптимальной производительностью и принятие решения об изменении системы для достижения определенной оптимальной производительности; и инициирование надлежащей модификации для приведения системы управления в оптимальное состояние.Эти три принципа — идентификация, решение и модификация — присущи любой адаптивной системе.

Управление с динамической оптимизацией требует, чтобы система управления работала таким образом, чтобы удовлетворялся определенный критерий производительности. Этот критерий обычно формулируется таким образом, что управляемая система должна переместиться из исходного положения в новое за минимально возможное время или с минимальными общими затратами.

Управление обучением подразумевает, что система управления обладает достаточными вычислительными возможностями, так что она может создавать представления математической модели управляемой системы и может изменять свои собственные операции, чтобы воспользоваться преимуществами этих недавно разработанных знаний.Таким образом, обучающаяся система управления является дальнейшим развитием адаптивного контроллера.

Управление с несколькими переменными без взаимодействия включает большие системы, в которых размер внутренних переменных зависит от значений других связанных переменных процесса. Таким образом, однопетлевых методов классической теории управления будет недостаточно. Для разработки соответствующих систем управления такими процессами необходимо использовать более сложные методы.

.

Система управления

Система управления — это устройство или набор устройств для управления, управления, направления или регулирования поведения других устройств или системы.

Существует два общих класса систем управления с множеством вариаций и комбинаций: логическое или последовательное управление и обратное или линейное управление. Существует также нечеткая логика, которая пытается объединить некоторую простоту конструкции логики с полезностью линейного управления. Некоторые устройства или системы по своей природе неуправляемы.

Обзор

Термин «система управления» может применяться к по существу ручному управлению, которое позволяет оператору, например, закрывать и открывать гидравлический пресс, возможно, включая логику, так что его нельзя перемещать, если не установлены предохранительные устройства.

Автоматическая система последовательного управления может запускать серию механических приводов в правильной последовательности для выполнения задачи. Например, различные электрические и пневматические преобразователи могут складывать и приклеивать картонную коробку, заполнять ее продуктом и затем запечатывать в автоматической упаковочной машине.

В случае линейных систем обратной связи, цикл управления , в том числе датчиков, алгоритмов управления и исполнительные механизмы, устроена таким образом, чтобы попытаться отрегулировать переменную на заданное значение или эталонное значение. Примером этого может быть увеличение подачи топлива в печь, когда измеренная температура падает. ПИД-регуляторы распространены и эффективны в таких случаях. Системы управления, которые включают некоторое ощущение результатов, которых они пытаются достичь, используют обратную связь и поэтому могут в некоторой степени адаптироваться к различным обстоятельствам.Системы управления без обратной связи не используют обратную связь и работают только заранее заданными способами.

Логическое управление

Логические системы управления промышленным и торговым оборудованием исторически реализовывались при напряжении сети с использованием взаимосвязанных реле, разработанных с использованием релейной логики. Сегодня большинство таких систем построено с использованием программируемых логических контроллеров (ПЛК) или микроконтроллеров. Обозначение релейной логики все еще используется в качестве языка программирования для ПЛК. ^[1]

Логические контроллеры

могут реагировать на переключатели, световые датчики, реле давления и т. Д., и может вызвать запуск и остановку оборудования. Логические системы используются для упорядочивания механических операций во многих приложениях. Примеры включают лифты, стиральные машины и другие системы с взаимосвязанными остановками.

Системы

Logic довольно просты в разработке и могут выполнять очень сложные операции. Некоторые аспекты проектирования логической системы используют булеву логику.

Двухпозиционное управление

Например, термостат — это простое управление с отрицательной обратной связью: когда температура («переменная процесса» или PV) опускается ниже заданного значения (SP), включается нагреватель.Другим примером может быть реле давления на воздушном компрессоре: когда давление (PV) падает ниже порогового значения (SP), насос включается. Холодильники и вакуумные насосы содержат аналогичные механизмы, работающие в обратном направлении, но все же обеспечивающие отрицательную обратную связь для исправления ошибок.

Простые двухпозиционные системы управления с обратной связью , подобные этим, дешевы и эффективны. В некоторых случаях, как в примере с простым компрессором, они могут быть хорошим выбором конструкции.

В большинстве применений двухпозиционного управления с обратной связью необходимо учитывать некоторые другие затраты, такие как износ регулирующих клапанов и, возможно, другие затраты на запуск при повторном включении питания каждый раз, когда PV падает.Следовательно, практические двухпозиционные системы управления предназначены для включения гистерезиса, обычно в виде зоны нечувствительности, области вокруг заданного значения, в которой не происходит никакого управляющего воздействия. Ширина зоны нечувствительности может быть регулируемой или программируемой.

Линейное управление

Системы линейного управления используют линейную отрицательную обратную связь для получения управляющего сигнала, математически основанного на других переменных, с целью поддержания управляемого процесса в приемлемом рабочем диапазоне.

Выходной сигнал линейной системы управления в управляемый процесс может быть в форме непосредственно регулируемого сигнала, такого как клапан, который может быть открыт на 0 или 100% или где-то посередине.Иногда это невозможно, и поэтому после расчета необходимого тока корректирующего сигнала линейная система управления может многократно включать исполнительный механизм, такой как насос, двигатель или нагреватель, полностью, а затем снова полностью выключать, регулируя рабочий цикл с помощью импульсов. ширина модуляции.

Пропорциональное регулирование

При регулировании температуры в промышленной печи обычно лучше контролировать открытие топливного клапана пропорционально текущим потребностям печи.Это помогает избежать тепловых ударов и более эффективно передает тепло.

Пропорциональные системы с отрицательной обратной связью основаны на разнице между требуемой уставкой (SP) и значением процесса (PV). Эта разница называется ошибкой. Мощность подается прямо пропорционально текущей измеренной ошибке в правильном смысле, чтобы уменьшить ошибку (и таким образом избежать положительной обратной связи). Величина корректирующего действия, применяемого для данной ошибки, определяется усилением или чувствительностью системы управления.

При низком коэффициенте усиления при обнаружении ошибок применяется лишь небольшое корректирующее действие: система может быть безопасной и стабильной, но может работать медленно при изменении условий; ошибки будут оставаться неисправленными в течение относительно длительных периодов времени: они чрезмерно затухают. Если пропорциональное усиление увеличивается, такие системы становятся более отзывчивыми, и ошибки устраняются быстрее. Когда говорят, что вся система критически демпфирована, существует оптимальное значение для настройки усиления. Увеличение петлевого усиления за пределами этой точки приведет к колебаниям в PV; такая система недостаточно демпфирована.

Пример печи с недостаточным демпфированием

В примере с печью предположим, что температура повышается до заданного значения, при котором, скажем, 50% доступной мощности потребуется для установившегося режима. При низких температурах используется 100% доступной мощности. Когда PV находится в пределах, скажем, 10 ° от SP, тепловложение начинает уменьшаться пропорциональным контроллером. (Обратите внимание, что это подразумевает «зону пропорциональности» (PB) 20 ° от полной до нулевой потребляемой мощности, равномерно распределенной вокруг значения уставки).При заданном значении контроллер будет подавать 50% мощности по мере необходимости, но паразитное накопленное тепло в подсистеме нагревателя и в стенках печи будет удерживать измеренную температуру выше требуемого. На 10 ° выше SP мы достигаем верхней границы диапазона пропорциональности (PB), и питание не подается, но температура может продолжать расти еще дальше, прежде чем начнет падать. В конце концов, когда PV снова падает в PB, тепло подается снова, но теперь нагреватель и стенки печи слишком холодные, и температура падает слишком низко, прежде чем ее падение будет остановлено, так что колебания продолжаются.

Пример печи с избыточным демпфированием

Температурные колебания, которые производит система управления печью с недостаточным демпфированием, неприемлемы по многим причинам, включая трату топлива и времени (каждый цикл колебаний может занимать много минут), а также вероятность серьезного перегрева как печи, так и ее содержимого. .

Предположим, что коэффициент усиления системы управления резко уменьшился и она перезапущена. По мере приближения температуры, скажем, на 30 ° ниже SP (зона пропорциональности 60 ° или PB сейчас), подвод тепла начинает уменьшаться, скорость нагрева печи успевает замедлиться, и, поскольку тепло еще больше снижается, в конечном итоге доводится до заданного значения, как только достигается 50% потребляемой мощности и печь работает должным образом.Было потрачено некоторое время, пока печь достигла конечной температуры, используя только 52%, а затем 51% доступной мощности, но, по крайней мере, никакого вреда не было. Путем осторожного увеличения усиления (т.е. уменьшения ширины PB) это чрезмерное демпфирование и вялое поведение можно улучшить до тех пор, пока система не станет критически демпфированной для этой температуры SP. Это называется «настройкой» системы управления. Хорошо настроенная система пропорционального регулирования температуры печи обычно более эффективна, чем двухпозиционное регулирование, но все равно будет реагировать медленнее, чем печь при умелом ручном управлении.

ПИД-регулирование

Помимо низкой производительности, позволяющей избежать колебаний, еще одна проблема с пропорциональным управлением заключается в том, что приложение мощности всегда прямо пропорционально ошибке. В приведенном выше примере мы предположили, что заданную температуру можно поддерживать при 50% мощности. Что произойдет, если печь потребуется в другом приложении, где для поддержания более высокой заданной температуры потребуется 80% мощности? Если коэффициент усиления был окончательно установлен на 50 ° PB, то мощность 80% не будет применяться, если температура печи не будет на 15 ° ниже заданного значения, поэтому для этого другого приложения операторы должны всегда помнить о том, чтобы устанавливать заданную температуру на 15 ° выше, чем действительно нужно.Этот показатель 15 ° также не является полностью постоянным: он будет зависеть от окружающей температуры окружающей среды, а также от других факторов, которые влияют на потери тепла из печи или поглощение в ней.

Для решения этих двух проблем многие схемы управления с обратной связью включают математические расширения для повышения производительности. Наиболее распространенные расширения приводят к пропорционально-интегрально-производному регулированию или ПИД-регулированию (произносится «пи-глаз-ди»).

Производное действие

Производная часть связана со скоростью изменения ошибки во времени: если измеряемая переменная быстро приближается к заданному значению, то привод отключается раньше, чтобы позволить ему двигаться по инерции до требуемого уровня; и наоборот, если измеренное значение начинает быстро отклоняться от заданного значения, прилагаются дополнительные усилия — пропорционально этой скорости — чтобы попытаться сохранить его.

Производное действие заставляет систему управления работать более разумно. В системах, таких как температура печи или, возможно, управление движением тяжелого предмета, такого как пистолет или камера на движущемся транспортном средстве, производное действие хорошо настроенного ПИД-регулятора может позволить ему достичь и поддерживать заданное значение лучше, чем самые опытные операторы могут.

Если действие по производной действует чрезмерно, это также может привести к колебаниям. Примером может служить PV, который быстро увеличивался в сторону SP, затем останавливался раньше и, казалось, «уклонялся» от заданного значения, прежде чем снова подняться к нему.

Интегральное действие

Интегральный член увеличивает влияние долговременных установившихся ошибок, прилагая все возрастающие усилия, пока они не уменьшатся до нуля. В приведенном выше примере печи, работающей при различных температурах, если прикладываемое тепло не доводит печь до заданного значения по какой-либо причине, интегральное действие все больше перемещает полосу пропорциональности относительно заданного значения, пока ошибка PV не уменьшится до ноль, и заданное значение достигнуто.

Прочая техника

Возможна фильтрация PV или сигнала ошибки.Это может снизить реакцию системы на нежелательные частоты, что поможет снизить нестабильность или колебания. Некоторые системы обратной связи колеблются только на одной частоте. Отфильтровывая эту частоту, можно применить более «жесткую» обратную связь, что сделает систему более отзывчивой, не раскачиваясь.

Системы обратной связи можно комбинировать. При каскадном управлении один контур управления применяет алгоритмы управления к измеряемой переменной относительно заданного значения, но затем предоставляет изменяющееся заданное значение другому контуру управления, а не влияет напрямую на переменные процесса.Если в системе есть несколько различных измеряемых переменных, которые необходимо контролировать, для каждой из них будут использоваться отдельные системы управления.

Техника управления во многих приложениях создает системы управления более сложные, чем ПИД-регулирование. Примеры таких областей включают системы управления воздушным судном, химические заводы и нефтеперерабатывающие заводы. Модельные системы управления с прогнозированием разрабатываются с использованием специализированного программного обеспечения для автоматизированного проектирования и эмпирических математических моделей управляемой системы.

Нечеткая логика

Нечеткая логика — это попытка упростить разработку логических контроллеров и при этом управлять постоянно меняющимися системами. В принципе, измерение в системе с нечеткой логикой может быть частично верным, то есть, если да — 1, а нет — 0, нечеткое измерение может быть между 0 и 1.

Правила системы написаны на естественном языке и переведены в нечеткую логику. Например, конструкция печи должна начинаться со слов: «Если температура слишком высока, уменьшите количество топлива в печи.Если температура слишком низкая, увеличьте количество топлива в топку ».

Измерения из реального мира (например, температура печи) преобразуются в значения от 0 до 1, если посмотреть, где они попадают на треугольник. Обычно вершина треугольника — это максимально возможное значение, которое переводится как «1».

Таким образом, нечеткая логика превращает булеву логику в арифметическую. Обычно операция «не» — это «вывод = 1 — ввод», «операция — это» вывод = ввод.1, умноженное на ввод.2, «и» или «равно» output = 1 — ((1 — input.1), умноженное на (1 — input.2)) «. Это сводится к логической арифметике, если значения ограничены до 0 и 1 вместо разрешенных для диапазона в единичном интервале [0,1].

Последний шаг — «дефаззификация» вывода. По сути, нечеткие вычисления дают значение от нуля до единицы. Это число используется для выбора значения на линии, наклон и высота которой преобразуют нечеткое значение в реальное выходное число. Затем число управляет реальной техникой.

Если треугольники определены правильно и правила верны, результатом может быть хорошая система контроля.

Когда надежный нечеткий план сводится к одному быстрому вычислению, он начинает напоминать обычное решение контура обратной связи, и может показаться, что нечеткий план не нужен. Однако парадигма нечеткой логики может обеспечить масштабируемость для больших систем управления, где традиционные методы становятся громоздкими или дорогостоящими.

Нечеткая электроника — это электронная технология, в которой используется нечеткая логика вместо двухзначной логики, обычно используемой в цифровой электронике.

Физические реализации

Поскольку современные небольшие микропроцессоры настолько дешевы (часто менее 1 доллара США), системы управления, включая контуры обратной связи, очень часто внедряются с компьютерами, часто во встроенной системе. Управление обратной связью моделируется, когда компьютер выполняет периодические измерения, а затем производит вычисления на основе этого потока измерений (см. Цифровую обработку сигналов, системы дискретных данных).

Компьютеры имитируют логические устройства, выполняя измерения входов переключателя, вычисляя логическую функцию на основе этих измерений и затем отправляя результаты на переключатели с электронным управлением.

Логические системы и контроллеры обратной связи обычно реализуются с помощью программируемых логических контроллеров, которые можно приобрести в домах электроснабжения. Они включают небольшой компьютер и упрощенную систему программирования. Чаще всего их программируют с помощью персональных компьютеров.

Логические контроллеры

также были сконструированы из реле, гидравлических и пневматических устройств и электроники с использованием как транзисторов, так и электронных ламп (контроллеры с обратной связью также могут быть сконструированы таким образом).

См. Также

Список литературы

Внешние ссылки

.

Компьютерная система

КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА
Определение : представляет собой совокупность объектов (аппаратное, программное и оперативное), которые предназначены для приема, обработки, управления и представления информации в значимом формате.

КОМПОНЕНТЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ

• Компьютерное оборудование — Физические части / нематериальные части компьютера. например, устройства ввода, устройства вывода, центральный процессор и устройства хранения
• Компьютерное программное обеспечение — также известные как программы или приложения.Они подразделяются на два класса, а именно — системное программное обеспечение и прикладное программное обеспечение

.

• Liveware — — пользователь компьютера. Также квон как orgware или человеческое ПО. Пользователь дает команду компьютерной системе выполнить инструкции.

a) КОМПЬЮТЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Аппаратное обеспечение относится к физическому материальному компьютерному оборудованию и устройствам, которые обеспечивают поддержку основных функций, таких как ввод, обработка (внутреннее хранилище, вычисление и управление), вывод, вторичное хранилище (для данных и программ) , и общение.

КАТЕГОРИИ ОБОРУДОВАНИЯ (функциональные части)

Компьютерная система — это набор интегрированных устройств, которые вводят, выводят, обрабатывают и хранят данные и информацию. Компьютерные системы в настоящее время построены по крайней мере на одном устройстве цифровой обработки. Компьютерная система состоит из пяти основных аппаратных компонентов: устройства ввода, обработки, хранения, вывода и связи.

1. УСТРОЙСТВА ВВОДА

Устройства, используемые для ввода данных или инструкций в центральный процессор.Классифицируются по методу ввода данных.

a) КЛЮЧЕВЫЕ УСТРОЙСТВА
Используются ли устройства для ввода данных в компьютер с помощью набора клавиш, например клавиатуры, клавиши для хранения и клавиатуры.

i) Клавиатура

Клавиатура (похожа на пишущую машинку) — основное устройство ввода компьютера. Он содержит три типа клавиш: буквенно-цифровые, специальные и функциональные. Буквенно-цифровые клавиши используются для ввода всех алфавитов, чисел и специальных символов, таких как $,%, @, A и т. Д. Специальные клавиши , такие как , , , , и т. Д., Используются для специальных функций. Функциональные клавиши , такие как , , и т. Д., Используются для подачи специальных команд в зависимости от используемого программного обеспечения, например, F5 перезагружает страницу интернет-браузера. Функции каждой клавиши можно понять только после работы на ПК. При нажатии любой клавиши выдается электронный сигнал. Этот сигнал обнаруживается кодировщиком клавиатуры, который отправляет в ЦП двоичный код, соответствующий нажатой клавише.Существует много типов клавиатур, но 101-клавишная клавиатура является самой популярной.

Как устроены ключи

Клавиши на клавиатуре можно разделить на несколько групп по функциям:

• Клавиши набора (буквенно-цифровые). Эти клавиши включают те же буквы, цифры, знаки препинания и символы, что и на традиционной пишущей машинке.
• Специальные (управляющие) клавиши. Эти клавиши используются отдельно или в сочетании с другими клавишами для выполнения определенных действий.Наиболее часто используемые клавиши управления — это CTRL, ALT, клавиша Windows и ESC.
• Функциональные клавиши. Функциональные клавиши используются для выполнения определенных задач. Они обозначаются как F1, F2, F3 и т. Д. До F12. Функциональные возможности этих клавиш различаются от программы к программе.
• Клавиши перемещения курсора (навигации). Эти клавиши используются для перемещения по документам или веб-страницам и редактирования текста. К ним относятся клавиши со стрелками, HOME, END, PAGE UP, PAGE DOWN, DELETE, INSERT и клавиши со стрелками.
• Цифровая клавиатура. Цифровая клавиатура удобна для быстрого ввода чисел. Клавиши сгруппированы в блок, как в обычном калькуляторе или арифметическом автомате.

B. УКАЗАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Это устройства, которые вводят данные и инструкции в компьютер с помощью указателя, который появляется на экране. T he Элементы для ввода выбираются путем наведения на них указателя или щелчка по ним.например, мыши, джойстик, сенсорный экран, трекболы

i) МЫШЬ
Мышь — это небольшое устройство, используемое для наведения указателя на элементы на экране компьютера и их выбора. Хотя мыши бывают разных форм, типичная мышь немного похожа на настоящую. Он небольшой, продолговатый и подключается к системному блоку длинным проводом, напоминающим хвост, и разъемом, который может быть как PS / 2, так и USB. Некоторые новые мыши беспроводные.

Мышь обычно имеет две кнопки: основная кнопка (обычно левая кнопка) и дополнительная кнопка.У многих мышей также есть колесо между двумя кнопками, которое позволяет плавно перемещаться по экранам с информацией.

Когда вы перемещаете мышь рукой, указатель на экране перемещается в том же направлении. (Внешний вид указателя может меняться в зависимости от того, где он расположен на экране.) Когда вы хотите выбрать элемент, вы указываете на него, а затем щелкаете (нажимаете и отпускаете) основную кнопку. Наведение и щелчок мышью — это основной способ взаимодействия с вашим компьютером.Есть несколько типов мышей: механическая мышь, оптическая мышь, оптико-механическая мышь и лазерная мышь.

Основные части

Мышь обычно имеет две кнопки: основная кнопка (обычно левая кнопка) и дополнительная кнопка (обычно правая). Основная кнопка — это та, которую вы будете использовать чаще всего. Большинство мышей также имеют колесико прокрутки между кнопками, чтобы упростить прокрутку документов и веб-страниц. На некоторых мышах колесо прокрутки можно нажать, чтобы действовать как третью кнопку.У продвинутых мышей могут быть дополнительные кнопки, которые могут выполнять другие функции.

Удерживание и перемещение мыши

Поместите мышь рядом с клавиатурой на чистую гладкую поверхность, например коврик для мыши. Осторожно держите мышь, положив указательный палец на основную кнопку, а большой палец — на бок. Чтобы переместить мышь, медленно перемещайте ее в любом направлении. Не скручивайте ее — держите переднюю часть мыши подальше от вас. Когда вы перемещаете мышь, указатель (см. Рисунок) на экране перемещается в том же направлении.Если вам не хватает места для перемещения мыши по столу или коврику для мыши, просто возьмите мышь и поднесите ее ближе к себе.
При указании на объект часто появляется описательное сообщение о нем. Указатель может меняться в зависимости от того, на что вы указываете. Например, когда вы указываете ссылку в веб-браузере, указатель меняет форму со стрелки на руку с указательным пальцем.

Большинство действий мыши совмещает наведение с нажатием одной из кнопок мыши. Есть четыре основных способа использования кнопок мыши: щелчок, двойной щелчок, щелчок правой кнопкой мыши и перетаскивание.

Щелчок (однократное нажатие)

Чтобы щелкнуть элемент, наведите указатель на этот элемент на экране, а затем нажмите и отпустите основную кнопку (обычно левую).

Щелчок чаще всего используется для выбора (отметки) элемента или открытия меню. Иногда это называют однократным или левым щелчком.

Двойной щелчок

Чтобы дважды щелкнуть элемент, наведите указатель на этот элемент на экране и затем дважды быстро щелкните. Если два щелчка расположены слишком далеко друг от друга, они могут быть интерпретированы как два отдельных щелчка, а не как один двойной щелчок.

Двойной щелчок чаще всего используется для открытия элементов на рабочем столе. Например, вы можете запустить программу или открыть папку, дважды щелкнув ее значок на рабочем столе.

Щелчок правой кнопкой мыши

Чтобы щелкнуть элемент правой кнопкой мыши, наведите указатель мыши на элемент на экране, а затем нажмите и отпустите дополнительную кнопку (обычно правую).

Если щелкнуть элемент правой кнопкой мыши, обычно отображается список действий, которые вы можете сделать с этим элементом. Например, когда вы щелкаете правой кнопкой мыши корзину на рабочем столе, Windows отображает меню, позволяющее открыть ее, очистить, удалить или просмотреть ее свойства.Если вы не знаете, что с чем-то делать, щелкните его правой кнопкой мыши.

C) УСТРОЙСТВА СКАНИРОВАНИЯ
Это устройства, которые захватывают объект или документ непосредственно из источника. Они классифицируются в соответствии с технологией, используемой для сбора данных, например Сканеры и считыватели документов .
i) Сканеры
Используются для захвата исходного документа и преобразования его в электронный формат f .
Пример: плоские и ручные сканеры .

ii) Устройства чтения документов
Это документы, которые считывают данные непосредственно из исходного документа и передают их в качестве входных данных в виде электронного сигнала.e
Типы считывателей документов
i) Оптический считыватель маркировки (OMR)

ii) Считыватели штрих-кода

iii) Оптические считыватели символов

b) Магнитные считыватели
Считывает данные с помощью магнитных чернил. t использует принцип магнетизма для считывать данные, написанные с помощью намагниченных чернил.

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ БЛОК ОБРАБОТКИ (C P U)

Это мозг или сердце компьютера. Также известен как процессор и состоит из трех блоков, а именно —
i) блока управления (CU)
ii) блока арифметической логики (ALU)
iii) блока основной памяти (MMU )

Системный блок является ядром компьютерной системы.Обычно это прямоугольная коробка, которую ставят на стол или под ним. Внутри этого ящика находится множество электронных компонентов, обрабатывающих данные. Наиболее важным из этих компонентов является центральный процессор (ЦП) или микропроцессор, который действует как «мозг» вашего компьютера. Другой компонент — оперативная память (RAM), в которой временно хранится информация, которую ЦП использует, пока компьютер включен. Информация, хранящаяся в ОЗУ, стирается при выключении компьютера.

Почти все остальные части вашего компьютера подключаются к системному блоку с помощью кабелей.Кабели подключаются к определенным портам (отверстиям), обычно на задней панели системного блока. Аппаратное обеспечение, не являющееся частью системного блока, иногда называют периферийным устройством . Периферийные устройства могут быть внешними , такими как мышь, клавиатура, принтер, монитор, внешний Zip-накопитель или сканер, или внутренними , такими как привод CD-ROM, привод CD-R или внутренний модем. Внутренние периферийные устройства часто называют интегрированными периферийными устройствами . Существует два типа в зависимости от формы: башня и настольная .

Системный блок Tower Настольный системный блок

Материнская плата (материнская плата , системная плата , планарная плата или материнская плата ) — это основная печатная плата, используемая в компьютерах и других расширяемых системах. Он содержит многие важные электронные компоненты системы, такие как центральный процессор (ЦП) и память, а также обеспечивает разъемы для других периферийных устройств.

Материнская плата

ТИПЫ ПРОЦЕССОРОВ
I) Компьютеры с набором команд (CISC)
ii) Компьютеры с сокращенным набором команд (RISC)

ФУНКЦИИ ЦЕНТРАЛЬНОГО БЛОКА ОБРАБОТКИ
— Данные процесса
— Управляющая последовательность компьютеры
— дает команду всем частям компьютера
— контролирует использование основной памяти при хранении данных и инструкций
— обеспечивает временное хранение (ОЗУ) и постоянное хранение (ПЗУ) данных

КОНТРОЛЬ БЛОК
Является операционным центром компьютерной системы, он направляет деятельность компьютерной системы.
Функции блока управления

.