Фундаментальные принципы управления Питера Ф. Друкера. Основные принципы менеджмента: от теории к практике! Аппроксимированная кривая разгона

В технике известны и используются три фундаментальных принципа:

1. принцип разомкнутого управления;

2. принцип компенсации (управление по возмущению);

3. принцип обратной связи (управление по отклонению).

Они могут присутствовать сразу все в одной системе, и тогда управление называется комбинированным, или применяться по отдельности. Рассмотрим каждый принцип управления, как самостоятельный.

Принцип разомкнутого управления. Его сущность состоит в том, что алгоритм управления вырабатывается только на основе заданного алгоритма функционирования и результаты автоматического управления не корректируются другими факторами – возмущениями или выходными координатами процесса (рис. 26).

Рис. 26. Схема системы разомкнутого управления

Схема на рис. 1. имеет разомкнутый контур, что определило ее название. Близость показателей Х и в разомкнутых системах обеспечивается только конструкцией и подбором физических закономерностей, действующих во всех ее элементах. Несмотря на очевидные недостатки, этот принцип широко используется из-за его простоты (например, системы станков с программным управлением).

Принцип компенсации или управления по возмущению. Возмущающее воздействие может быть таким, что разомкнутая цепь управления не обеспечивает требуемой точности выполнения алгоритма функционирования. Как выход из положения, можно измерять возмущение и вводить коррективы в управление. В результате имеем схему, как показано на рис. 27 (для простоты здесь и далее воздействия изображены обычными стрелками).

Рис. 27. Схема управления по возмущению

В отличие от разомкнутой схемы имеется контур с дополнительным элементом 4 системы, который вырабатывает корректирующее воздействие так, что повышается точность управления. Реализуется принцип инвариантности (независимости) САУ к данному возмущению объекта.

Принцип обратной связи. Регулирование по отклонению. При наличии нескольких возмущений с одинаково сильным влиянием на объект, управление по возмущению становится сложным, поскольку требуется измерение каждого возмущения и соответствующей обработки информации. В таком случае систему создают так, чтобы точность выполнения алгоритма функционирования обеспечивалась без измерения возмущений . Достаточно вносить коррективы в алгоритм управления по фактическому значению выходной координаты в системе (рис. 28).

Рис. 28. Схема управления по замкнутому контуру

В конструкцию системы вводят дополнительную связь 4, в которую входят элементы для измерения Х и для выработки корректирующего воздействия на управляющее устройство. Схема имеет замкнутый вид, что дает основание назвать реализуемый в ней способ принципом управления по замкнутому контуру, причем дополнительная цепь называется цепью обратной связи.

В технике автоматического управления наиболее широко представлен частный вид замкнутых систем, в которых коррекция алгоритма управления осуществляется не по значению координаты Х, а по ее отклонению от значения, определяемого алгоритмом функционирования , т.е. по величине:

Схема, использующая данную разновидность принципа управления с обратной связью, показана на рис.29.

Система управления состоит из двух основных частей: объекта управления (ОУ) и устройства управления (УУ), которое называют также регулятором (Р). Регулятор на основании одного или нескольких задающих воздействий, определяющих закон (алгоритм) управления, вырабатывает управляющее воздействие U(t) на ОУ и поддерживает на заданном уровне или изменяет по определенному закону состояние Y(t), которое может отображаться на его выходе соответствующим сигналом y(t). Перед регулятором ставится задача обеспечения заданного качества работы системы во всех практически важных режимах, в том числе при воздействии на объект внешних возмущающих воздействий и дестабилизирующих факторов X(t) . Регулятор создаётся разработчиком системы, исходя из знаний о свойствах объекта управления и требуемых задачах системы.

Внешние связи объекта управления показаны на рис. 2.1.1, где Х – канал воздействия среды на объект и управляющее устройство, Y – канал воздействия объекта на среду или информационный канал состояния объекта, U – канал воздействия управления на объект, G – задающее устройство (программатор) изменения управляющего воздействия.

Основной задачей управления является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин процессов, протекающих в ОУ. Эти величины называются управляемыми (температура, давление, уровень жидкости, направление перемещения инструмента, и т.п.).

В составе объекта управления всегда содержится управляющий орган (УО) объекта, с помощью которого можно изменять параметры состояния ОУ (реостат, вентиль, заслонка и т.п.). Физическую величину U(t) на входе управляющего органа называют входной величиной ОУ или управляющим воздействием.

В состав ОУ обычно входит также чувствительный элемент (ЧЭ), который преобразует управляемую величину в пропорциональную ей величину, удобную для информации и использования в системе управления. Физическую величину y(t) на выходе ЧЭ называют выходной величиной ОУ. Как правило, это электрический сигнал (ток, напряжение) или механическое перемещение. В качестве ЧЭ могут использоваться термопары, тахометры, рычаги, датчики давления, положения и т.п.

Управляющее воздействие U(t) формируется устройством управления (УУ) и прикладывается к управляющему органу объекта с целью поддержания требуемых значений управляемой величины. Оно создается исполнительным элементом УУ, в качестве которого могут использоваться электрические или поршневые двигатели, мембраны, электромагниты и т.п.

В составе системы управления, как правило, имеется также задающее устройство (ЗУ). Оно задает программу изменения управляющего воздействия, то есть формирует задающий сигнал u(t). ЗУ может быть выполнено в виде отдельного устройства с формированием воздействия (сигнала) G(t) на вход УУ, может быть встроенным в УУ или вообще отсутствовать. В качестве ЗУ может выступать кулачковый механизм, магнитофонная лента, маятник в часах, и т.п.

Величина X(t), воздействующая на ОУ и (при необходимости) на УУ, называется возмущением. Она отражает влияние на выходную величину y(t) изменений окружающей среды, нагрузки и т.п.

В общем случае все связи в системе управления могут быть многоканальными (многомерными) любой физической природы (электрические, магнитные, механические, оптические и пр.).

Принципы управления. Различают три фундаментальных принципа управления состоянием ОУ: принцип разомкнутого управления, принцип компенсации, принцип обратной связи.

Принцип разомкнутого управления состоит в том, что программа управления жестко задана в ЗУ или внешним воздействием G(t), и управление не учитывает влияние возмущений на параметры процесса. Примеры систем - часы, магнитофон, и т.п.

Принцип компенсации применяется для нейтрализации известных возмущающих воздействий, если они могут искажать состояние объекта управления до недопустимых пределов. При априорно известной связи состояния объекта с возмущающим воздействием значение сигнала u(t) корректируются обратно пропорционально возмущающему воздействию x(t). Примеры систем компенсации: биметаллический маятник в часах, компенсационная обмотка машины постоянного тока и т.п. Достоинство принципа компенсации - быстрота реакции на возмущения. Недостаток - невозможность учета подобным образом всех возможных возмущений.

Принцип обратной связи получил наибольшее распространение в технических системах управления, при этом управляющее воздействие корректируется в зависимости от выходной величины y(t). Если значение y(t) отклоняется от требуемого, то происходит корректировка сигнала u(t) с целью уменьшения данного отклонения. Связь выхода ОУ с входом управляющего устройства, выполняющего коррекцию сигнала u(t), называется главной обратной связью (ОС).

Недостатком принципа обратной связи является инерционность системы. Поэтому часто применяют комбинацию данного принципа с принципом компенсации, что позволяет объединить достоинства обоих принципов - быстроту реакции на возмущение принципа компенсации и точность регулирования независимо от природы возмущений принципа обратной связи.

Виды систем управления. В зависимости от принципа и закона функционирования управляющего устройства различают основные виды систем: системы стабилизации, программные, следящие и самонастраивающиеся системы, среди которых можно выделить экстремальные, оптимальные и адаптивные системы.

Системы стабилизации обеспечивают неизменное значение управляемой величины при всех видах возмущений, т.е. y(t) = const. В устройстве управления формируется эталонный сигнал, с которым сравнивается выходная величина. УУ, как правило, допускает настройку эталонного сигнала, что позволяет менять по желанию значение выходной величины.

Программные системы обеспечивают изменение управляемой величины в соответствии с программой, задаваемой на входе УУ или формируемой ЗУ. К этому виду систем можно отнести магнитофоны, проигрыватели, станки с ЧПУ, и т.п. Различают системы с временной программой, обеспечивающие y = f(t), и системы с пространственной программой, в которых y = f(x), применяемые там, где на выходе систем важно получить требуемую траекторию в пространстве, например, в автомате сверления отверстий в печатных платах.

Следящие системы отличаются от программных лишь тем, что программа y = f(t) или y = f(x) заранее неизвестна. В качестве УУ выступает устройство, следящее за изменением какого-либо внешнего параметра. Эти изменения и будут определять изменения выходной величины y(t).

Все три рассмотренных вида систем могут быть построены по любому из трех принципов управления (разомкнутого управления, компенсации, обратной связи). Для них характерно требование совпадения выходной величины (состояния системы) с некоторым предписанным значением, которое в любой момент времени определено однозначно.

Самонастраивающиеся системы отличаются активным УУ, определяющим такое значение управляемой величины, которое в каком-то смысле является оптимальным.

Так, в экстремальных системах требуется, чтобы выходная величина всегда принимала экстремальное значение из всех возможных, которое заранее не определено и может изменяться. Для его поиска система выполняет небольшие пробные движения и анализирует реакцию выходной величины на эти пробы, после чего вырабатывается управляющее воздействие, приближающее выходную величину к экстремальному значению. Процесс идет непрерывно и выполняется только с использованием обратной связи.

Оптимальные системы являются более сложным вариантом экстремальных систем. Здесь происходит, как правило, сложная обработка информации о характере изменения выходных величин и возмущений, о характере влияния управляющих воздействий на выходные величины, может быть задействована теоретическая информация, информация эвристического характера и т.п. Поэтому основным отличием экстремальных систем является наличие ЭВМ. Эти системы могут работать в соответствии с любым из трех фундаментальных принципов управления.

В адаптивных системах предусмотрена возможность автоматической перенастройки параметров или изменения принципиальной схемы систем управления с целью приспособления к изменяющимся внешним условиям. В соответствии с этим различают самонастраивающиеся и самоорганизующиеся адаптивные системы.

В основе построения системы автоматического управления лежат некоторые общие фундаментальные принципы управления, определяющие, каким образом осуществляется увязка алгоритмов функционирования и управления с фактическим функционированием или причинами, вызывающими отклонение функционирования от заданного. В настоящее время в технике известны и используют три фундаментальных принципа: разомкнутого управления , компенсации и обратной связи .

Принцип разомкнутого управления . Сущность принципа состоит в том, что алгоритм управления вырабатывается только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируется другими факторами - возмущениями или выходными координатами процесса. Общая функциональная схема системы показана на рис. 1.2, а. Задание алгоритма функционирования может вырабатываться как специальным техническим устройством - задатчиком программы 1, так и выполняться заранее при проектировании системы и затем непосредственно использоваться при конструировании управляющего устройства 2. В последнем случае блок 1 на схеме будет отсутствовать. В обоих случаях схема имеет вид разомкнутой цепочки, в которой основное воздействие передается от входного элемента к выходному элементу 3, как показано стрелками. Это и дало основание названию принципа. Близость х к x0 в разомкнутых системах обеспечивается только конструкцией и подбором физических закономерностей, действующих во всех элементах.

Несмотря на очевидные недостатки, этот принцип используют очень широко. Элементы, представляемые разомкнутой цепью, входят в состав любой системы, поэтому принцип представляется настолько простым, что его не всегда выделяют, как один из фундаментальных принципов.

Принцип компенсации (управление по возмущению) . Если возмущающие воздействия настолько велики, что разомкнутая цепь не обеспечивает требуемой точности выполнения алгоритма функционирования, то для повышения точности иногда возможно, измерив возмущения, ввести по результатам измерения коррективы в алгоритм управления, которые компенсировали бы вызываемые возмущениями отклонения алгоритма функционирования.

Так как отклонение регулируемой величины зависит не только от управляющего u, но и от возмущающего z воздействия, , то в принципе можно подобрать управление таким образом, чтобы в установившемся режиме отклонение отсутствовало . Так, в простейшем линейном случае, если характеристика объекта в статике , то, выбирая , получим .

Следует подчеркнуть, что компенсация достигается только по измеряемым возмущениям.

Принцип обратной связи . Регулирование по отклонению . Систему можно построить и так, чтобы точность выполнения алгоритма функционирования обеспечивалась и без измерения возмущений. На рис. 1.2,6 показана схема, в которой коррективы в алгоритм управления вносятся по фактическому значению координат в системе. Для этой цели в конструкцию системы вводят дополнительную связь 4, в которую могут входить элементы для измерения и для выработки корректирующих воздействий на управляющее устройство. Схема имеет вид замкнутой цепи, что дало основание назвать осуществляемый в ней принцип принципом управления по замкнутому контуру. Так как направление передачи воздействий в дополнительной связи обратно направлению передачи основного воздействия на объект, введенную дополнительную цепь называют цепью обратной связи.

Схема, изображенная на рис. 1.2, в, представляет собой наиболее общий вид замкнутых систем. По такой схеме строят, например, многие преобразовательные и счетно-решающие элементы. В управлении же наиболее широко распространен частный вид замкнутых систем, в которых коррекцию алгоритма управления осуществляют не непосредственно по значениям координат x, а по их отклонениям от значений, определяемым алгоритмом функционирования x0, т.е. . Схема, реализующая эту разновидность управления с обратной связью, показана на рис. 1.2, г, в которой: элемент 1, задающий алгоритм функционирования, и элемент сравнения - сумматор S , осуществляющий вычитание х из x0, т.е. вырабатывающий величину D х, называемую отклонением или ошибкой управления . Часто оказывается целесообразно вырабатывать управляющее воздействие в функции не только D х, но также его производных и интегралов по времени

(1.3)

Функция f должна быть неубывающей функцией D х и одного с ней знака.

Управление в функции отклонения при упомянутых требованиях к функции f называют регулированием. Управляющее устройство в этом случае называют автоматическим регулятором. Объект О и регулятор Р образуют замкнутую систему, называемую системой автоматического регулирования (CAP).

Регулятор, вырабатывающий управляющее воздействие u в соответствии с алгоритмом управления (1.3), образует по отношению к выходу объекта отрицательную обратную связь, поскольку знак D х, как следует из (1.3), обратный знаку x. Обратную связь, образуемую регулятором, называют главной обратной связью. Кроме нее, внутри регулятора могут быть и другие местные обратные связи.

Лекция 1. Основные понятия теории управления и радиоавтоматики. Фундаментальные принципы управления. Классификация систем управления. Общая характеристика задач анализа и синтеза систем

Основное содержание теории управления составляют математические методы анализа и синтеза систем. Основные задачи анализа - исследование свойств системы, прежде всего, устойчивости (в большинстве случаев неустойчивая система неработоспособна) и оценка показателей ее качества. Основные задачи синтеза – корректировка существующей системы или построение новой системы в соответствии с требованиями к ее свойствам и качеству.

Управление - это организованное воздействие на объект с целью обеспечения требуемого течения процесса в объекте или требуемого изменения его состояния.

Рисунок 1 графически интерпретирует это понятие.

На рисунке 1:

ОУ – объект управления;

y – выходной сигнал, характеризующий текущее состояние объекта управления;

g – задающее воздействие, описывающее требуемое состояние объекта управления (цель управления);

u – сигнал управления;

УУ – устройство управления (регулятор);

f – возмущающее воздействие – нерегулируемое воздействие внешней среды.

Классификация систем управления определяет выбор используемого математического аппарата и проводится по нескольким признакам. Мы ограничимся основными из них.

1. По принципу управления различают:

1а. Разомкнутые системы, общая структура которых соответствует рисунку 1. Конкретный пример представлен на рисунке 2. Здесь управляющий сигнал формируется в зависимости только от задающего воздействия. При появлении возмущающего воздействия разомкнутая система управления на него никак не реагирует, что приводит к непредсказуемому отклонению состояния объекта от требуемого. Поэтому разомкнутая система управления сама по себе неработоспособна.

1б. Замкнутые системы, реализующие управление на основе принципа обратной связи – формирование сигнала управления на основе сравнения текущего состояния объекта управления с требуемым (рисунок 3).

Простейший и основной вариант реализации принципа обратной связи – жесткая единичная отрицательная обратная связь. В этом случае сигнал управления формируется в соответствии с уравнением:

u (t )=k (g (t ) – y (t )). (1.1)

Примеры замкнутых систем представлены на рисунках 4, 5.

Более подробная классификация замкнутых систем проводится по виду обратной связи.

1в. Системы с компенсацией возмущения . Принцип компенсации возмущающего воздействия предусматривает измерение или оценку (идентификацию) величины возмущающего воздействия и использование этой информации для формирования управляющего сигнала (рисунки 6, 7)

1г. Системы комбинированного управления реализуют сочетание рассмотренных выше принципов. Наиболее распространенный вариант – замкнутая система с компенсацией возмущения (рисунки 8,9).

1д. Адаптивные системы. Принцип адаптивного управления состоит в накоплении в процессе работы системы информации о поведении объекта управления и характеристиках внешней среды и использовании этой информации для корректировки структуры и параметров закона управления (настройки устройства управления).

2. По цели управления различают:

2а. Системы стабилизации :g =const . К их числу относятся все рассмотренные примеры.

2б. Системы программного управления : g = g (t ). Пример – система управления ракетой-носителем. При выведении спутника на заданную орбиту законы изменения высоты, скорости, направления движения и пр. рассчитываются заранее. Задачей системы управления является обеспечение их изменения по заданным законам.

2в. Следящие системы : g = var . Пример – система управления антенной радиолокационной станции наблюдения за воздушной обстановкой. Задачей системы является обеспечение совмещения оси антенны с летательным аппаратом при заранее неизвестном законе его движения.

2г. Системы терминального управления. Пример – система самонаведения ракеты. Задачей системы является обеспечение минимального расстояния от ракеты до цели (промаха) в определенный конечный момент времени.

2д. Системы экстремального управления. Такие системы строят, когда в процессе управления требуется обеспечить максимум или минимум некоторых показателей (критериев оптимальности). Пример – система мягкой посадки космического летательного аппарата. Задачей системы является обеспечение мягкой посадки при заранее неизвестных начальных скорости и высоте с минимальным расходом топлива.

3. По структуре различают одномерные (со скалярными входными сигналами) и многомерные (с векторными входными сигналами) системы управления.

4. По форме математического описания различают линейные и нелинейные системы.

4а. Линейной является системы, для всех элементов которой может быть получено математическое описание в форме линейных алгебраических или дифференциальных уравнений.

4б. Если хотя бы один элемент системы не может быть описан линейным уравнением, вся система рассматривается как нелинейная.

6. Основные принципы управления

Основные принципы управления людьми.

1. Поддержание у подчиненных чувства самоуважения, уверенности в себе. Когда люди чувствуют себя уверенно, повышается эффективность их работы. Этому принципу можно следовать даже тогда, когда необходимо довести до работника сигнал о наличии отрицательных отклонений в его работе. Опытные руководители сначала отмечают положительные результаты, а затем обсуждают те аспекты работы, которые надо улучшить. При этом выражают уверенность в способности работника добиться этих улучшений. Это повышает шансы на успех. И, наоборот, подрыв в работниках самоуважения гарантирует плохие результаты.

2. Концентрация внимания на проблеме, а не на личности подчиненного. Это дает возможность человеку не уходить в глухую оборону, а вместе работать над решением проблемы.

3. Использование метода подкрепления. Подкрепляется желательное поведение и не поощряется нежелательное. Наиболее распространенной формой подкрепления является негативная реакция на нежелательное поведение. Должно быть наоборот. Позитивное подкрепление имеет большие шансы на успех.

4. Активное слушание. Имеются в виду способы доведения до собеседника реакции на сообщаемую информацию и выражаемые чувства.

5. Выдвижение ясных требований и поддержание контакта с работниками. Завершая разговор с работником, необходимо удостовериться, что цели были правильно поняты. Всегда устанавливайте конкретную дату проверки исполнения с тем, чтобы иметь возможность поощрить работника в ходе выполнения задания.