Какие схемы не являются управляющими
Вы уже знакомы с некоторыми областями использования компьютеров. Знаете, что с помощью компьютера можно печатать книги, выполнять чертежи и рисунки; быстро передавать информацию на большие расстояния, создавать компьютерные справочники на любую тему; производить расчеты. Существует еще одно важное приложение компьютерной техники — использование компьютеров для управления.
Возникновение кибернетики
В 1948 году в США и Европе вышла книга американского математика Норберта Винера «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине». Эта книга провозгласила рождение новой науки — кибернетики.
Не случайно время появления этого научного направления совпало с созданием первых ЭВМ. Н. Винер (рис. 3.1) предвидел, что использование ЭВМ для управления станет одним из важнейших их приложений, а для этого потребуется глубокий теоретический анализ самого процесса управления. Этому и посвящена наука кибернетика.
| Рис. 3.1 Норберт Винер |
Что такое управление
Управление есть целенаправленное воздействие одних объектов, которые являются управляющими, на другие объекты — управляемые.
Простейшая ситуация — два объекта: один — управляющий, второй — управляемый. Например: человек и телевизор, хозяин и собака, светофор и автомобиль. В первом приближении взаимодействие между такими объектами можно описать схемой, изображенной на рис. 3.2.
| Рис. 3.2. Схема системы управления без обратной связи |
В приведенных примерах управляющее воздействие производится в разных формах: человек нажимает клавишу или поворачивает ручку управления телевизором; хозяин голосом подает команду собаке; светофор разными цветами управляет движением автомобилей и пешеходов на перекрестке.
С кибернетической точки зрения все варианты управляющих воздействий следует рассматривать как управляющую информацию, передаваемую в форме команд.
В примере с телевизором через пульт управления передаются команды следующего типа: «включить/выключить», «переключить канал», «увеличить/уменьшить громкость». Хозяин передает собаке команды голосом: «Сидеть!», «Лежать!», «Взять!». Световые сигналы светофора шофер воспринимает как команды: красный — «стоять», зеленый — «ехать», желтый — «приготовиться».
Алгоритм управления
В данном выше определении сказано, что управление есть целенаправленный процесс, т. е. команды отдаются не случайным образом, а с вполне определенной целью. В простейшем случае цель может быть достигнута после выполнения одной команды. Для достижения более сложной цели бывает необходимо выполнить последовательность (серию) команд.
Последовательность команд по управлению объектом, выполнение которой приводит к достижению заранее поставленной цели, называется алгоритмом управления.
В таком случае объект управления можно назвать исполнителем управляющего алгоритма. Значит, в приведенных выше примерах телевизор, собака, автомобиль являются исполнителями управляющих алгоритмов, направленных на вполне конкретные цели (найти интересующую передачу, выполнить определенное задание хозяина, благополучно проехать перекресток).
С точки зрения кибернетики взаимодействие между управляющим и управляемым объектами рассматривается как информационный процесс. С этой позиции оказалось, что самые разнообразные процессы управления в природе, технике, обществе происходят сходным образом, подчиняются одним и тем же принципам.
Вопросы и задания
1. Кто был основателем кибернетики? В каком году вышла первая книга по кибернетике?
2. Что такое управление?
3. Что представляет собой управляющее воздействие с точки зрения кибернетики?
4. Что такое алгоритм управления?
5. Определите, кто играет роль управляющего и кто (или что) играет роль объекта управления в следующих системах: школа, класс, самолет, стая волков, стадо коров.
6. Для систем управления, выявленных в предыдущей задаче, назовите некоторые команды управления и скажите, в какой форме они отдаются.
Управление с обратной связью
Линейный алгоритм
Если внимательно обдумать рассмотренные в предыдущем параграфе примеры, то можно прийти к выводу, что строго в соответствии со схемой на рис. 5.2 работает только система «светофор — автомобили». Светофор «не глядя» управляет движением машин, не обращая внимания на обстановку на перекрестке. Вот алгоритм работы светофора:
КРАСНЫЙ-ЗЕЛЕНЫЙ-ЖЕЛТЫЙ-КРАСНЫЙ-ЗЕЛЕНЫЙ-ЖЕЛТЫЙ-КРАСНЫЙ и т. д.
Такой алгоритм называется линейным или последовательным.
Обратная связь
Совсем иначе протекает процесс управления телевизором или собакой. Прежде чем отдать очередную команду, человек смотрит на состояние объекта управления, на результат выполнения предыдущей команды. Если он не нашел нужную передачу на данном канале, то он переключит телевизор на следующий канал; если собака не выполнила команду «лежать!», хозяин повторит эту команду.
Из этих примеров можно сделать вывод, что управление происходит эффективнее, если управляющий не только отдает команды, т.е. работает прямая связь, но и принимает информацию от объекта управления о его состоянии. Этот процесс называется обратной связью.
Обратная связь — это процесс передачи информации о состоянии объекта управления управляющему объекту.
Модель управления с обратной связью
Управлению с обратной связью соответствует схема, изображенная на рис. 3.3.
| Рис. 3.3. Схема системы управления с обратной связью |
Циклы и ветвления в алгоритмах
Вот как можно записать алгоритм поиска нужной передачи по телевизору:
ВКЛЮЧИТЬ ТЕЛЕВИЗОР НА 1-М КАНАЛЕ
ПОКА НЕ БУДЕТ НАЙДЕНА ИСКОМАЯ ПЕРЕДАЧА,
ПЕРЕКЛЮЧИТЬ ТЕЛЕВИЗОР НА СЛЕДУЮЩИЙКАНАЛ
В этом алгоритме содержится указание на повторение одних и тех же действий (переключить канал) по некоторому условию (пока не найдем передачу). Такой алгоритм называется циклическим.
Если вместо светофора на перекрестке дорог работает милиционер-регулировщик, то управление движением станет более рациональным. Регулировщик следит за скоплением машин на пересекающихся дорогах и дает «зеленую улицу» в том направлении, в котором в данный момент это нужнее. Нередко из-за «безмозглого» управления светофора на дорогах возникают «пробки». И тут непременно приходит на помощь регулировщик.
Назовем пересекающиеся дороги: Дорога-1 и Дорога-2. Логика управления движением описывается следующим алгоритмом:
ЕСЛИ НА ДОРОГЕ-1 СКОПИЛОСЬ БОЛЬШЕ МАШИН
ТО ОТКРЫТЬ ДВИЖЕНИЕ ПО ДОРОГЕ-1
ИНАЧЕ ОТКРЫТЬ ДВИЖЕНИЕ ПО ДОРОГЕ-2
Здесь по определенному условию происходит выбор одного из двух действий. Такой алгоритм называется ветвящимся. Проверка выполнения условия и в первом и во втором примере стала возможна благодаря обратной связи: телезритель наблюдает за состоянием телевизора, милиционер наблюдает за состоянием движения на дорогах.
В варианте управления без обратной связи алгоритм может представлять собой только однозначную (линейную) последовательность команд. При наличии обратной связи и «интеллектуального» управляющего объекта алгоритмы управления могут иметь сложную структуру, содержащую альтернативные команды (ветвления) и повторяющиеся команды (циклы).
При наличии обратной связи алгоритм может быть более гибким, допускающим проверку условий, ветвления и циклы.
Системы с программным управлением
Принцип управления с обратной связью и есть основной закон, открытый кибернетической наукой. Он действует в системах самой разной природы: технических, биологических, социальных.
Системы, в которых роль управляющего объекта поручается компьютеру, называются автоматическими системами с программным управлением.
Для функционирования такой системы, во-первых, между компьютером и объектом управления должна быть обеспечена прямая и обратная связь, во-вторых, в память компьютера должна быть заложена программа управления (алгоритм, записанный на языке программирования). Поэтому такой способ управления называют программным управлением.
Программное управление широко используется в технических системах: автопилот в самолете, автоматическая линия на заводе, ускоритель элементарных частиц в физической лаборатории, атомный реактор на электростанции и пр.
Вопросы и задания
1. Что такое обратная связь в процессе управления?
2. Какую структуру имеет управляющий алгоритм в системе б! обратной связи?
3. Какую структуру может иметь управляющий алгоритм при наличии обратной связи?
4. Что такое система с программным управлением?
5. Проанализируйте систему «учитель-класс» как систему управления. Кто здесь управляющий объект, кто — объект управления? Какие действуют механизмы прямой и обратной связи?
6. Придумайте ситуации на уроке, когда учитель использует ветвление или цикл, принимая управляющие решения.
7. Назовите систему, в которой учитель является объектом управления. Проанализируйте ее.
8. Опишите систему обучения, в которой роль учителя выполняет компьютер. Какие механизмы прямой и обратной связи действуют в такой системе? В чем преимущества и в чем недостатки компьютерного обучения по сравнению с традиционным?
Виды управляющих воздействий ПА
Значительная часть коротких замыканий (КЗ) на воздушных линиях (ВЛ) электропередачи, вызванных перекрытием изоляции, схлестыванием проводов и другими причинами, при достаточно быстром отключении повреждений релейной защитой самоустраняется. При этом электрическая дуга, возникшая в месте КЗ, гаснет, не успевая вызвать существенных разрушений, препятствующих обратному включению линий под напряжение. Такие самоустраняющиеся повреждения называются неустойчивыми. Статистические данные о повреждаемости ВЛ за многолетний период эксплуатации показывают, что доля неустойчивых повреждений высока и составляет 50–90 %.
Поскольку отыскание места повреждения на линии электропередачи путем ее обхода требует длительного времени и многие повреждения носят неустойчивый характер, обычно при ликвидации аварии оперативный персонал производит опробование линии путем обратного включения под напряжение. Эта операция называется повторным включением. Линия, на которой произошло неустойчивое повреждение остается в работе. Поэтому повторные включения при неустойчивых повреждениях принято называть успешными.
Реже на ВЛ возникают такие повреждения, как обрывы проводов, тросов или гирлянд изоляторов, падение или поломка опор и т.д. Такие повреждения не могут самоустраниться, поэтому их называют устойчивыми. При повторном включении линии, на которой произошло устойчивое повреждение, вновь возникает КЗ, и она вновь отключается релейной защитой. Поэтому повторные включения линий при устойчивых повреждениях называют неуспешными.
Повторное включение линий на подстанциях с постоянным оперативным персоналом или на телеуправляемых объектах занимает несколько минут, а на подстанциях нетелемеханизированных и без постоянного оперативного персонала — от получаса до часа и более. Поэтому для ускорения повторного включения линий и уменьшения времени перерыва электроснабжения потребителей широко используются специальные устройства автоматического повторного включения (АПВ). Время действия АПВ обычно не превышает нескольких секунд, поэтому устройства АПВ при успешном включении быстро подают напряжение потребителям. Согласно Правилам устройств электроустановок (ПУЭ) (утверждены Приказом Минэнерго России от 08.07.2002 № 204), обязательно применение АПВ на всех воздушных и смешанных (кабельно-воздушных) линиях напряжением выше 1 кВ.
Успешность действия АПВ составляет в сетях разного напряжения 50–90 %. АПВ восстанавливает нормальную схему также и в тех случаях, когда отключение выключателя происходит вследствие ошибок персонала или ложного действия релейной защиты. Наиболее эффективно применение АПВ на линиях с односторонним питанием, т.к. в этих случаях каждое успешное действие АПВ восстанавливает питание потребителей и предотвращает аварию. В кольцевых сетях отключение одной из линий не приводит к перерыву питания потребителей. Однако и в этом случае применение АПВ целесообразно, поскольку ускоряет ликвидацию ненормального режима и восстановление нормальной схемы сети, при которой обеспечивается наиболее надежная и экономичная работа.
Отключение генераторов
Отключение генераторов (ОГ) как управляющее воздействие противоаварийной автоматики используется в основном для предотвращения нарушения устойчивости при аварийных возмущениях, связанных с ослаблением связей (отключением сетевых элементов) энергосистемы. Однако, в отличие от автоматического повторного включения (АПВ), отключение генераторов приводит к изменению баланса мощностей в энергосистеме. В зависимости от конкретных условий отключение генераторов осуществляется блочными или генераторными выключателями с минимально возможным запаздыванием относительно момента возникновения аварийного возмущения.
Отключение нагрузки
Отключение нагрузки (ОН) используется с целью предотвращения нарушения устойчивости также как и ОГ, в случае необходимости разгрузки «опасного сечения». ОН следует выполнять в приемной части энергосистемы. При этом механизм воздействия на энергосистему оказывается в значительной степени аналогичным воздействию от отключения генераторов в передающей части.
Важные особенности ОН связаны с практической реализацией этого мероприятия в условиях реальной сложной энергосистемы. При организации ОГ приходится иметь дело с крупными ступенями отключения, определяемыми мощностью каждого отключаемого генератора, то время как отдельные потребители имеют существенно меньшую мощность. Для обеспечения возможности более дифференцированного подхода к отключению потребителей необходимо увеличение количества телесвязей для передачи команд на отключение, что сопряжено с существенными дополнительными затратами. В последнее время ведутся разработки так называемой системы автоматической циркулярной разгрузки, суть которой заключается в организации системы передачи команд от центрального передатчика к местным приемникам, от которых осуществляется воздействие на отключение тех или иных потребителей в соответствии с заданным кодом.
ОН является наименее желательным воздействием, т.к. снижает основной показатель надежности электроснабжения потребителей. Вместе с тем, в современных условиях во многих случаях отказаться от ОН, особенно для решения задач устойчивости межсистемных связей ЕЭС, практически невозможно. Этому есть две основные причины. Первая заключается в том, что при необходимости разгрузки электропередачи в сторону существенно меньшей по мощности части энергосистемы снижение генерации в передающей части оказывается неэффективным. Вторая причина, обуславливающая необходимость применения ОН наряду с ОГ, заключается в том, что в ряде случаев разгрузка той или иной межсистемной связи только за счет ОГ оказывается ограниченной по условиям устойчивости других связей.
Автоматическая частотная разгрузка
Автоматическая частотная разгрузка (АЧР), как и отключение нагрузки, реализуется отключением части потребителей в энергосистеме. Однако за счет АЧР не решаются задачи, связанные с предотвращением нарушения устойчивости энергосистемы. Основная цель АЧР — предотвращение недопустимого снижения частоты в дефицитных частях энергосистемы и развития аварии. АЧР, за редким исключением, действует после нарушения устойчивости и отделения частей энергосистемы со значительным дефицитом мощности, который не может быть ликвидирован автоматическим регулированием скорости вращения турбин. Таким образом, действие АЧР начинается при существенном снижении частоты и по факту такого снижения.
В любой точке отделившейся части системы изменение частоты происходит практически одинаково. Это позволяет осуществлять частотную разгрузку по местному параметру (частоте). Тем самым обеспечивается возможность, во-первых, отключать нагрузку очередями в зависимости от степени снижения частоты, и, во-вторых, формировать эти очереди с учетом значимости (категорийности) потребителей. АЧР играет важнейшую роль в обеспечении живучести энергосистем, т.к. предотвращает одно из наиболее опасных явлений — «лавину частоты», которая возникает при достижении некоторого критического значения частоты.
Деление энергосистемы
Деление энергосистемы (ДС) как средство противоаварийной автоматики осуществляется во время переходного процесса путем отключения линий электропередачи, связывающих отдельные части энергосистемы, либо отключением междушинных выключателей на электрических станциях и подстанциях. (Данное мероприятие не следует путать с разделением энергосистемы в нормальном режиме, которое может использоваться в частности для предотвращения развития аварийного процесса.)
Различаются три вида ДС:
- деление энергосистемы для предотвращения нарушения устойчивости;
- деление для прекращения асинхронного хода;
- деление (выделение энергоблоков) для предотвращения потери собственных нужд при недопустимом снижении частоты в энергосистеме в результате развития аварии.
Для предотвращения нарушения устойчивости деление осуществляется по факту возникновения опасного аварийного возмущения или по вторичным факторам, характеризующим опасность нарушения устойчивости. Наиболее существенно эффективность деления проявляется при аварийных возмущениях, связанных с возникновением аварийных дефицитов мощности в приемной части системы. Деление хотя и не исключает разделение энергосистемы на несинхронно работающие части, предотвращает возникновение асинхронного хода и повышает эффективность использования таких средств сохранения устойчивости, как отключение генераторов и отключение нагрузки. Превентивное деление может использоваться также для предотвращения «опрокидывания» нагрузки в момент возникновения асинхронного хода по сетям более низкого напряжения при аварийном отключении шунтирующих их ЛЭП высшего напряжения.
Для предотвращения распространения асинхронного хода деление энергосистемы используется в качестве одного из основных управляющих воздействий в специальной автоматике ликвидации асинхронного хода. Асинхронный ход представляет большую опасность не только с точки зрения резкого снижения напряжения в отдельных узлах, но и ввиду опасности распространения на другие участки энергосистемы, т.е. возникновения трех и более несинхронно работающих частей. ДС осуществляется в основном отключением тех ЛЭП, которые соединяют несинхронно работающие части энергосистемы. При этом серьезной задачей является выявление границы раздела, усложняющейся при появлении в энергосистеме более, чем двух несинхронно работающих частей. Поэтому в тех случаях, когда имеется реальная опасность быстрого возникновения трехчастотного асинхронного хода, применяются модифицированные устройства селективной автоматики прекращения асинхронного хода.
Для предотвращения потери собственных нужд при недопустимом снижении частоты в энергосистеме в результате развития аварии применяется т.н. «выделение». Это еще одна область использования ДС, также определяемая требованиями живучести энергосистемы, — так называемое частотное деление, т.е. деление, осуществляемое при снижении частоты до критического уровня. По факту срабатывания соответствующих устройств, фиксирующих достижение этого уровня, осуществляется отделение в заранее подготовленном сечении некоторых энергоблоков или электростанций на сбалансированную по мощности нагрузку. Очевидно, что частотное деление используется при тяжелых аварийных ситуациях, вызванных каскадным развитием аварии и характеризующихся глубоким снижением частоты в энергосистеме, до 45–46 Гц, т.е. практически при «развале» энергосистемы. При этом ставится лишь задача сохранить в работе хотя бы единичные энергоблоки для последующего использования их как источников напряжения при запуске остановленных во время аварии электростанций. Выбор схемы деления и потребителей, которые выделяются вместе с блоком, подчинены лишь задаче сохранения блока в работе при аварийном снижении частоты и в последующем автономном режиме.
Электрическое торможение генераторов
Такие средства управления, как ОГ, ОН, ДС, каждое в отдельности и в различных сочетаниях обеспечивают повышение уровня статической устойчивости в послеаварийных режимах и оказывают воздействие и на условия динамической устойчивости. Согласно действующим в ЕЭС нормативам переходный процесс считается устойчивым, если выполняются условия динамической устойчивости и обеспечивается статическая устойчивость с коэффициентом запаса, не ниже нормативного, на всех фазах процесса вплоть до установления нового стационарного режима.
Для выполнения этого условия и преодоления имеющихся сложностей в применении вышеназванных управляющих воздействий были разработаны средства управления, обеспечивающие управляющие воздействия импульсного типа. К числу их относится и электрическое торможение генераторов (ЭТ), осуществляемое включением параллельно или последовательно специальных резисторов.
Известны различные способы торможения генераторов для компенсации кратковременного динамического возмущения при коротком замыкании. Однако в настоящее время известны лишь отдельные случаи практического использования установок электрического торможения генераторов ввиду высокой стоимости этих установок.
Коммутационные воздействия в индуктивно-емкостных установках
Вышеназванные средства управления, за исключением АПВ, направлены главным образом на изменение тем или иным способом баланса активных мощностей (моментов). Положительный эффект может быть достигнут и за счет кратковременного или длительного повышения пропускной способности (предела устойчивости) в «опасном сечении».
Средства противоаварийного управления воздействием на момент турбины
В отличие от коммутационных управляющих воздействий, эффективность которых при известных собственных временах срабатывания коммутационной аппаратуры определяется последствиями изменения схемы, эффективность воздействий через момент турбины существенным образом зависит от физических характеристик самого объекта воздействия — котлотурбинного агрегата.
Каждый энергоблок оснащен автономной системой регулирования скорости вращения, а также может быть включен в систему автоматического регулирования частоты и мощности в энергообъединении (АРЧМ). Автоматическое регулирование скорости вращения турбины не только обеспечивает необходимое качество электроэнергии, но и предотвращает лавину частоты, являясь тем самым важнейшим мероприятием по обеспечению надежности электроснабжения и живучести энергосистемы.
Вместе с тем в зависимости от характеристик энергоблоков и распределения резерва в энергосистеме регулирование скорости турбин может приводить к неблагоприятному с точки зрения устойчивости параллельной работы перераспределению мощности в послеаварийном режиме, ослабляя или сводя на нет в некоторых случаях воздействия от ОГ или ОН. По тем же причинам неблагоприятным с точки зрения устойчивости может оказаться действие системы регулирования частоты. Вместе с тем АРЧМ имеет в своем составе систему ограничения перетоков, которая во многих случаях предотвращает нарушение устойчивости при спонтанных, в том числе и аварийных перегрузках линии.
Неблагоприятным оказывается иногда действие котельной автоматики, в частности осуществление регулирования давления пара по принципу «до себя», т.е. на поддержание неизменным давления перед турбиной. При снижении частоты и реализации резерва мощности энергоблока под действием АРС давление пара перед турбиной начинает падать, что приводит в действие регулятор на закрытие клапанов и, соответственно, снижение мощности турбины. Таким образом, по прошествии некоторого времени (обычно нескольких минут) возникает самопроизвольная разгрузка энергоблоков, которая приводит к повторному снижению частоты и чревата опасностью нарушений устойчивости и развития аварии.
Регулирование энергоблока «при скользящем давлении», т.е. при полностью открытых клапанах с управлением мощностью через изменение параметров пара практически исключает непосредственную реакцию энергоблока на колебания частоты. В результате существенно снижается регулирующий эффект генерации в энергосистеме, а решение задачи поддержания частоты в аварийных условиях в большей мере возлагается на средства противоаварийной автоматики и сопряжено с повышением ущерба от ее действия.
Используются и другие виды регулирования, направленные на повышение экономичности энергоблоков, затрудняющие или в лучшем случае не способствующие решению задач обеспечения надежности и живучести энергосистемы в аварийных режимах. В отечественной практике не принято использовать управляющие воздействия на изменение момента турбин атомных электростанций (АЭС), за исключением случаев воздействия по условиям безопасности собственно АЭС. Вместе с тем эти энергоблоки обладают теми же возможностями для противоаварийного управления, и такое управление используется в энергосистемах некоторых стран, особенно тех, где АЭС составляют значительную часть генерирующих мощностей.
Управление мощностью передач и вставок постоянного тока
В схеме энергосистемы противоаварийное управление мощностью связи постоянного тока (УМПТ) сводится к созданию искусственного дефицита или избытка мощности в подсистеме, что в зависимости от характера воздействия (импульсное или длительное) обеспечивает эффект примерно такой же, как ОГ, ИРТ, ОМ, ЭТ или ОН, ФМТ, УМПН. При этом изменение перетока мощности по связи постоянного тока может быть по необходимости обеспечено практически мгновенным или с заданной скоростью. Очевидно, что это воздействие может быть использовано как для сохранения устойчивости связей в одной из подсистем, так и для предотвращения недопустимых отклонений частоты (наряду с АЧР).
- Релейная защита
- Противоаварийная автоматика
Какие схемы не являются управляющими
Цель: Получить представление об информационной системе и ее значение. Получить представление о системах управления.
Информационный процесс может состояться только при наличии информационной системы, обеспечивающей его составляющие. Что же подразумевается под информационной системой?
Понятие «информация» обычно предполагает наличие двух объектов — источника информации и приемника информации. Информация от источника к приемнику передается в материально-энергетической форме (электрической, световой, звуковой…)
? Где источник и приемник информации:
вы читаете письмо (источник — письмо, приемник — вы)
звенит будильник (источник — будильник, приемник — я)
учитель пишет на доске (учитель — источник, доска — приемник)_
В африканских джунглях, в старину, важные новости передавали от одного племени к другому барабанным боем. Моряки иногда пользуются флажковой азбукой. Разговаривая, мы передаем друг другу информацию. Информация ЭВМ выводится на экран монитора — это тоже передача информации.
Сигнал, принимаемый потребителем, может и не иметь прямой физической связи с событием или явлением, о котором он сигнализирует. (пример» звонок в скорую помощь, колокольный звон…) Следовательно, поступивший сигнал должен быть воспринят адресатом и обработан.
Таким образом, составляющие информационного процесса обеспечиваются наличием информационной системы, складывающийся из источника информации, канала связи, по которому информация в форме материально — энергетического сигнала может поступить к потребителю, а также некоторого соглашения (кода), которое позволит потребителю установить смысл воспринятого сигнала., и собственно адресата, потребителя информации.
Значение информационной системы:
- Освобождает работников от рутинной работы за счет ее автоматизации
- Обеспечивает достоверность информации
- Обеспечивает более рациональную организацию переработки информации на компьютере
С точки зрения кибернетики взаимодействие между управляющим и управляемым объектами рассматривается как информационный процесс.
Любая информационная система может действовать по правилам разомкнутой или замкнутой схемы управления.
Что же такое управление с кибернетической точки зрения?
Управление есть целенаправленное взаимодействие объектов, одни из которых являются управляющими, другие — управляемыми.
Простая ситуация — два объекта: один — управляющий, второй — управляемый. Человек и телевизор, хозяин и собака, светофор и автомобиль.
?Придумайте свои примеры
Взаимодействие между объектами можно описать следующей схемой:
| Управляющий объект ———> Управляемый объект |
| Схема управления |
Например: хозяин голосом отдает команду собаке, человек включает свет в комнате
? Приведите свои примеры
Управляющее воздействие происходит в одну сторону.
Эта система называется разомкнутой.
В разомкнутой информационной системе получаемая потребителем информация используется произвольно. От потребителя в информационную систему ничего не поступает.
Разомкнутая система оказывается неспособной к управлению в случае перехода управляемого объекта в неустойчивое состояние.
Пример такой системы — светофор и автомобиль. (светофор «не глядя» управляет движением машин, не зная обстановку на перекрестке)
В примере «хозяин и собака» процесс управления протекает иначе.
Прежде, чем отдать очередную команду, человек смотрит на состояние объекта управления, на результат выполнения предыдущей команды.
Следовательно, управляющий не только отдает команды, но и принимает информацию от объекта управления о его состоянии. Этот процесс называется обратной связью.
Обратная связь — это процесс передачи информации о состоянии объекта управления к управляющему.
| Управляющий объект | Управляемый объект | |
| ———> | ||
| Схема управления с обратной связью | ||
Если вместо светофора на перекрестке работает милиционер-регулировщик, то управление движением станет более рациональным.
Если представить последовательность управляющих воздействий в виде алгоритма, то для разомкнутой системы такой алгоритм всегда будет линейным.
В замкнутых системах управления алгоритм управления может оказаться ветвящимся или циклическим.
Для успешности функционирования такой системы управления важна степень интеллектуальности управляющей системы (если управляющий человек, то ещзе важна степень его ответственности).
Системы, в которых роль управляющего поручается компьютеру, называются автоматическими системами с программным управлением.
Для функционирования такой системы
- между ЭВМ и объектом управления должна быть обеспечена прямая и обратная связь
- в память компьютера должна быть заложена программа управления. Поэтому такой способ управления называют программным управлением.
Вопросы:
- Что такое информационная система?
- В чем различие между системой и информационной системой?
- Что такое управление?
- Почему управление связано с информацией?
- Объясните различие между замкнутой и разомкнутой системой управления?
- Приведите примеры замкнутой системы управления в живой природе.
Кибернетическая модель управления
Управление без обратной связи и с обратной связью
(§ 1. Управление и кибернетика. § 2. Управление с обратной связью)
Вы уже знакомы с некоторыми областями использования компьютеров. Знаете, что с помощью компьютера можно печатать книги, выполнять чертежи и рисунки; быстро передавать информацию на большие расстояния, создавать компьютерные справочники на любую тему; производить расчеты. Существует еще одно важное приложение компьютерной техники — использование компьютеров для управления.
Возникновение кибернетики
В 1948 году в США и Европе вышла книга американского математика Норберта Винера «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине».
Эта книга провозгласила рождение новой науки — кибернетики.
Не случайно время появления этого научного направления совпало с созданием первых ЭВМ.
Н. Винер предвидел, что использование ЭВМ для управления станет одним из важнейших их приложений, а для этого потребуется глубокий теоретический анализ самого процесса управления. Этому и посвящена наука кибернетика.
Что такое управление
Управление есть целенаправленное воздействие одних объектов, которые являются управляющими, на другие объекты — управляемые .
Простейшая ситуация — два объекта: один — управляющий, второй — управляемый. Например: человек и телевизор, хозяин и собака, светофор и автомобиль. В первом приближении взаимодействие между такими объектами можно описать схемой, изображенной на рисунке ниже:
В приведенных примерах управляющее воздействие производится в разных формах: человек нажимает кнопку или поворачивает ручку управления телевизором; хозяин голосом подает команду собаке; светофор разными цветами управляет движением автомобилей и пешеходов на перекрестке.
С кибернетической точки зрения все варианты управляющих воздействий следует рассматривать как управляющую информацию, передаваемую в форме команд.
В примере с телевизором через пульт управления передаются команды следующего типа: «включить/выключить», «переключить канал», «увеличить/уменьшить громкость». Хозяин передает собаке команды голосом: «Сидеть!», «Лежать!», «Взять». Световые сигналы светофора шофер воспринимает как команды: красный — «стоять», желтый — «приготовиться», зеленый — «ехать».
Алгоритм управления
В данном выше определении сказано, что управление есть целенаправленный процесс, т. е. команды отдаются не случайным образом, а с вполне определенной целью. В простейшем случае цель может быть достигнута после выполнения одной команды. Для достижения более сложной цели бывает необходимо выполнить последовательность (серию) команд.
Последовательность команд по управлению объектом , выполнение которой приводит к достижению заранее поставленной цели, называется алгоритмом управления.
В таком случае объект управления можно назвать исполнителем управляющего алгоритма. Значит, в приведенных выше примерах телевизор, собака, автомобиль являются исполнителями управляющих алгоритмов, направленных на вполне конкретные цели (найти интересующую передачу, выполнить определенное задание хозяина, благополучно проехать перекресток).
С точки зрения кибернетики взаимодействие между управляющим и управляемым объектами рассматривается как информационный процесс. С этой позиции оказалось, что самые разнообразные процессы управления в природе, технике, обществе происходят сходным образом, подчиняются одним и тем же принципам.
Коротко о главном:
· Кибернетика — наука об общих свойствах процессов управления в живых и неживых системах.
· Управление — это целенаправленное воздействие управляющего объекта на объект управления.
· С точки зрения кибернетики управление происходит путем информационного взаимодействия между объектом управления и управляющим объектом.
· Последовательность управляющих команд определяется алгоритмом управления, а исполнителем этого алгоритма является объект управления.
Вопросы и задания:
1. Кто был основателем кибернетики? В каком году вышла первая книга по кибернетике?
2. Что такое управление?
3. Что представляет собой управляющее воздействие с точки зрения кибернетики?
4. Что такое алгоритм управления?
5. Определите, кто играет роль управляющего и кто (или что) играет роль объекта управления в следующих системах: школа, класс, самолет, стая волков, стадо коров.
6. Для систем управления, выявленных в предыдущей задаче, назовите некоторые команды управления и скажите, в какой форме они отдаются.
Линейный алгоритм
Если внимательно обдумать рассмотренные в предыдущем параграфе примеры, то можно прийти к выводу, что строго в соответствии с рассмотренной ранее схемой работает только система «светофор – автомобили». Светофор «не глядя» управляет движением машин, не обращая внимания на обстановку на перекрестке. Вот алгоритм работы светофора:
КРАСНЫЙ — ЗЕЛЕНЫЙ — ЖЕЛТЫЙ — КРАСНЫЙ — ЗЕЛЕНЫЙ — ЖЕЛТЫЙ — КРАСНЫЙ и т. д.
Такой алгоритм называется линейным или последовательным.
Обратная связь
Совсем иначе протекает процесс управления телевизором или собакой. Прежде чем отдать очередную команду, человек смотрит на состояние объекта управления, на результат выполнения предыдущей команды. Если он не нашел нужную передачу на данном канале, то он переключит телевизор на следующий канал; если собака не выполнила команду «лежать!» хозяин повторит эту команду.
Из этих примеров можно сделать вывод, что управление происходит эффективнее, если управляющий не только отдает команды, т. е. работает прямая связь, но и принимает информацию от объекта управления о его состоянии. Этот процесс называется обратной связью.
Обратная связь — это процесс передачи информации о состоянии объекта управления управляющему объекту.
Модель управления с обратной связью
Управлению с обратной связью соответствует схема, изображенная на рисунке ниже:
Циклы и ветвлении в алгоритмах
Вот как можно записать алгоритм поиска нужной передачи по телевизору:
ВКЛЮЧИТЬ ТЕЛЕВИЗОР НА 1-М КАНАЛЕ
ПОКА НЕ БУДЕТ НАЙДЕНА ИСКОМАЯ ПЕРЕДАЧА,
ПОВТОРЯТЬ:
ПЕРЕКЛЮЧАТЬ ТЕЛЕВИЗОР НА СЛЕДУЮЩИЙ КАНАЛ
В этом алгоритме содержится указание на повторение одних и тех же действий (переключить канал) по некоторому условию (пока не найдем передачу). Такой алгоритм называется циклическим.
Если вместо светофора на перекрестке дорог работает милиционер регулировщик, то управление движением станет более рациональным. Регулировщик следит за скоплением машин на пересекающихся дорогах и дает «зеленую улицу» в том направлении, в котором в данный момент это нужнее. Нередко из-за «безмозглого» управления светофора на дорогах возникают «пробки». И тут на помощь может прийти регулировщик.
Назовем пересекающиеся дороги Дорога-1 и Дорога-2. Логика управления движением описывается следующим алгоритмом:
ЕСЛИ НА ДОРОГЕ-1 СКОПИЛОСЬ БОЛЬШЕ МАШИН
ТО ОТКРЫТЬ ДВИЖЕНИЕ ПО ДОРОГЕ-1
ИНАЧЕ ОТКРЫТЬ ДВИЖЕНИЕ ПО ДОРОГЕ-2
Здесь по определенному условию происходит выбор одного из двух действий. Такой алгоритм называется ветвящимся. Проверка выполнения условия и в первом, и во втором примере стала возможна благодаря обратной связи: телезритель наблюдает за состоянием телевизора, милиционер наблюдает за состоянием движения на дорогах.
Итак, в варианте управления без обратной связи алгоритм может представлять собой только однозадачную (линейную) последовательность команд. При наличии обратной связи и «интеллектуального» управляющего объекта алгоритмы управления могут иметь сложную структуру, содержащую альтернативные команды (ветвления) и повторяющиеся команды (циклы).
При наличии обратной связи алгоритм может быть более гибким, допускающим проверку условий, ветвления и циклы.
Принцип управления с обратной связью и есть основной закон, открытый наукой кибернетикой. Он действует в системах самой разной природы: технических, биологических, социальных.
Системы с программным управлением
Системы, в которых роль управляющего объекта поручается компьютеру, называются автоматическими системами с программным управлением.
Для функционирования такой системы,
во-первых, между компьютером и объектом управления должна быть обеспечена прямая и обратная связь,
во-вторых, в память компьютера должна быть заложена программа управления (алгоритм, записанный на языке программирования).
Поэтому такой способ управления называют программным управлением.
Программное управление широко используется в технических системах: автопилот в самолете, автоматическая линия на заводе, ускоритель элементарных частиц в физической лаборатории, атомный реактор на электростанции и пр.
Коротко о главном:
Управляющая информация передается по линии прямой связи в виде команд управления; по линии обратной связи передается информация о состоянии объекта управления.
· Без учета обратной связи алгоритм управления может быть только линейным, при наличии обратной связи алгоритм может иметь сложную структуру, содержащую ветвления и циклы.
· Системы, в которых роль управляющего объекта выполняет компьютер, называются автоматическими системами с программным управлением.
Вопросы и задания:
Что такое обратная связь в процессе управления?
1. Какую структуру имеет управляющий алгоритм в системе без обратной связи?
2. Какую структуру может иметь управляющий алгоритм при наличии обратной связи?
3. Что такое система с программным управлением?
4. Проанализируйте систему «учитель-класс» как систему управления. Кто здесь управляющий объект, кто — объект управления? Какие действуют механизмы прямой и обратной связи?
5. Придумайте ситуации на уроке, когда учитель использует ветвление или цикл, принимая управляющие решения.
6. Назовите систему, в которой учитель является объектом управления. Проанализируйте ее.
7. Опишите систему обучения, в которой роль учителя выполняет компьютер. Какие механизмы прямой и обратной связи действуют в такой системе? В чем преимущества и в чем недостатки компьютерного обучения по сравнению с традиционным?