“ Вычислительные системы ”

Скачать 5.12 Mb.

Название	“ Вычислительные системы ”
страница	1/72
Тип	Документы

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Документы

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 72

Нижегородский государственный технический университет

Факультет информационных систем и технологий

Кафедра “Вычислительных систем и технологий”

Саладаев Е.Н.
“Вычислительные системы ”

Курс лекций

2014

Принципы построения систем управления
Основные модели и методы систем управления.
Создатель кибернетики Норберт Виннер назвал ее «наукой об управлении и связи в животном и машине». Сейчас понятие управления шире - оно распространяется и на общество. Методы управления - нужно в определенном смысле наилучшее, т.е. оптимальное управление.

Сейчас под кибернетикой понимают оптимальное управление сложными кибернетическими системами( т.е. техническими объектами, биологическими объектами и системами, экономическим процессом, обществом и другими системами. Мы будем рассматривать управление техническими системами.

Под управлением понимается процесс организации такого целенаправленного воздействия на объект, в результате которого объект переходит в требуемое (целевое) состояние.

Объектом управления будем понимать ту часть (предметную область) окружающего мира, состояние которой нас интересует и на которую мы можем воздействовать целенаправленно,т.е. управлять ею.

Рис.1

Х - состояние среды, воздействующей на объект

Y - состсяние объекта

У = F (x)

F (x) -оператор

Рассматривая управление как целенаправленный процесс, необходимо ввести субъекта, чьи цели реализуются в процессе управления, т.е. субъект является источником целей, реализуемых управлением. Эти цели возникают у субъекта под давлением его собственных потребностей, связанных с жизнедеятельностью субъекта и его взаимодействием с внешней средой и объектом управления. Субъект - личность, группа людей, человечество( управление глобальными объектами - окружающая среда, космос и др.)

Рис.2

Цели управления формируются субъектом. Субъект находится в той же среде что и объект, т.е. воспринимает состояние среды Х . Одновременно на субъекта влияет состояние Y объекта .(X -освещенность в комнате субъекта от среды, т.е. из окна, объект - лампочки, Y - освещенность от лампочки (выключена, включена)). Если состояние Y объекта удовлетворяет потребностям субъекта, взаимодействующим с этим объектом и использующим его для своих целей, то никакого управления не нужно. Если же это состояние не устраивает субъекта, то ему необходимо организовать такое воздействие на объект, которое переведет его в левое состояние, удовлетворяющее субъекта.

Это воздействие и есть управление. Отсюда следует один из «принципов» управления: оно происходит от неудовлетворенности субъекта ситуацией, сложившейся в объекте.

Субъект формирует свою цель, реализация которй приведет, по мнению субъекта, к удовлетворению его потребностей. Эта цель представляет собой набор требований, предъявляемых субъектом к состоянию объекта.

Обозначим цель субъекта Z*

Эта цель определяет желаемое состояние объекта ( определяемое Y).

Z = Ψ (Y)

Для реализации управления создаются специальные каналы управления. Обозначим через U управление. Управление уменьшает энтропию( неопределенность ) в объекте управления.

ИУС - информация - управление - уменьшение энтропии.

Цель управления определяется субъектом

Теперь состояние объекта управления зависит от двух факторов - состояния среда X и состояния управления U.

Y = F(X,U)

F - оператор объекта с учетом управления.

Система управления содержит все необходимые алгоритмы обработки информации и средства их реализации, объединенные для достижения заданных целей управления в объекте. При этом система управления не всегда реализуется в аппаратуре, она может быть реализована в виде системы правил, договоров и обязательств.

Система управления содержит сенсоры( датчики

)

(

)

Где

-действительные значения параметров состояния среды и объекта

-представление параметров состояния среды и объекта в системе упрпвления.

–операторы сенсоров датчиков измерительных каналов системы управления.

Рис.3
В основе процесса управления лежит информация о сложившейся ситуации

I = {

}

Хотя она всегда является неполной.

Неполнота информации I связана с ограниченными возможностями всякой системы сбора информации (

), т.е. органами чувств системы управления, и необходимостью «платы» за эту информацию.

При ограниченных ресурсах,выделяемых на управление это приводит к постоянному дефициту информации о поведении среды и объекта .

Имеется еще один вход объекта- ненаблюдаемое возмущение E ,под которым подразумеваются все ненаблюдаемые внешние и внутренние факторы объекта, влияющие на его состояние.

Y = F (X, U, E)

Таким образом, объект имеет три входа: наблюдаемый X,управляемый (следовательно и наблюдаемый) U и ненаблюдаемый E.

Для целенаправленного функционирования управляющего устройства УУ кроме информации I = {

} необходимо сообщить цель управления Z*, т.е. к чему ему следует стремиться в процессе управления Ψ,т.е. указать,как добиться этой цели.

Располагая информацией о состоянии среды, объекта цели управления, можно представить управление U как результат работы алгоритма

U =

(I ,Z*) = Ψ(

,Z*)

Где

- алгоритм управления

Алгоритм управления представляет собой оператор

(

,Z*),перерабатывающий информацию о среде, объекте и цели управления в управлении U ,реализация которого

должна переводить объект в требуемое состояние

.

Управление в широком смысле определяется множеством целей {Z*}, которые поступают в систему управления извне. Эти цели ставит субъект, являющийся пользователем системы управления объекта.
Принципы управления сложными объектами.

Системы управления и сложные объекты. Основные модели и методы. Определение целей управления и объектов управления. Структурный синтез модели объекта и идентификация параметров модели. Детерминированные и стохастические системы. Стохастическое управление системами. Основные принципы проектирования систем управления. Иерархичность описаний и декомпозиция объектов. Нисходящее и восходящее проектирование, итерационность процесса проектирования. Структуры систем управления распределенными объектами.
Сложные объекты управления
1.Отсутствие математического описания объекта. Но если объектом можно управлять без его математического описания, то он не является сложным.

2. Стахостичность поведения

Обусловлена не только случайными помехами, но и сложностью объекта и множеством протекающих в нем не учитываемых YY процессами (биологические, социальные, технологические и др. объекты). При этом называется случайным второстепенные и несуществующие закономерности. Случайным считается то, что непонятно. Этот подход развит в статистической ( стохастической) теории управления.
3. Нетерпимость” к управлению затрудняет управление сложным объектом.

Сложный объект существует и функционирует независимо от субъекта и его потребностей. Управление имеет внешний характер по отношению к объекту и нарушает “нормальное” функционирование объекта, т.е. изменяет его самостоятельное поведение и делает его зависимости от субъекта.

4.Нестационарность объекта.

Его характеристики и параметры меняются с течением времени, он эволюционирует. Чем сложнее объект, тем быстрее он меняется. В следствии не стационарности сложного объекта существенным является:

5.Невоспроводимость экспериментов.

Проявляется в различной реакции объекта на одну и ту же ситуацию или управление в различные моменты времени.

Сложный объект все время меняется. Это приводит к тому, что цель управления сложным объектом в полной мере никогда не достигается.

Для синтеза управления

требуется время,за которое объект изменяется непредвиденным образом. В результате это управление не приведет к желаемому результату Z*.

Необходима экстраполяция поведения сложного объекта(системы) (прогнозирование поведения), т.е. выяснение направления эволюции состояния системы.

В этом случае управление

(t) производится с учетом прогнозируемого изменения состояния объекта (системы).

Альтернатива – сокращение цикла управления, чтобы за время синтеза управления состояние объекта изменилось незначительно.
Этапы управления сложным объектом (системой)

Вход

Формирование целей управления

Определение объекта управления

Структурный синтез модели

Идентификация параметров модели

Планирование экспериментов

Синтез управления

Реализация управления

Коррекция

1.Формирование целей управления

Определяется множество целей которые должны быть реализованы в процессе управления.

Ц

ель – модель будущего, т.е. предполагаемого состояния объекта, которое желательно субъекту (потребителю). Это состояние не может быть достигнуто без реализации управления. Выясняется,что желает субъект и может ли оно быть реализовано.

2.Определение объекта управления

Выделение той части среды, состояние которой интересует потребителя в связи с реализацией сформулированных целей.

ВУЗ-система электронного документооборота

ВУЗ-повышение качества подготовки специалистов

Предприятие-повышение качества продукции

-повышение прибыли

Поддержание чистоты в квартире :

- обеспечение:

-пылесос;

-очистка лестницы;

-очистка дорожек на улице;

-очистка воздуха (пыль через форточки);

и др.

Температура в квартире:

-нагреватель;

-радиаторы;

-пластиковые окна;

-теплоизоляция стен

и др.
3. Структурный синтез модели

Только с помощью модели объекта можно построить управление

(t).
4. Идентификация параметров объекта

.

Параметры определяются в режиме нормального функционирования.

X(t) Y(t)

I(t) = {X(t),

t) }

Искусство наблюдения за экономикой, природой, атмосферой.

Для идентификации параметров модели может появиться необходимость “экспериментов” с объектом.

Минимум воздействия – максимум информации

Искусство идентификации – искусство пассивного наблюдения,т.к. всякое вмешательство искажает ход наблюдаемых процессов.

Необходимость пассивного наблюдения связана с тем ,что часто сложные объекты не допускают экспериментов с ними (атмосфера,океан,социальные процессы и т.д.).

Для определения модели объекта F(

часто необходимо поэкспериментировать с объектом, т.е. подать на объект

.(воздействие лекарств, ученьяа на “Тоцком полигоне”, Чернобыльская электростанция).

Эксперименты с сложными объектами часто приводят к непредсказуемым последствиям. Для получения модели сложного объекта эксперименты с ним проводят минимально возмущая объект и получая при этом максимум информации и влиянии варьируемых параметров на объект. Испытания самолетов, ядерные испытания, лекарства,методы лечения и др.

Поэтому следующий этап – планирование эксперментов.

Д

уальность управления - Управление объектом

Идентификация модели

5. Планирование экспериментов

Синтез плана эксперимента, позволяющего с максимальной эффективностью определить параметры мрдели объекта управления.

Составляют план экспериментов

набор состояний управляемого входа объекта.

t) = {

),U(

) U(

) }

t =

.

Или план – функция U(t), т.е. программу изменения во времени управляемого входа объекта.

Получаем

Или

U(t) Y(t)

Обрабатывая результаты необходимо получить модель объекта (структуру и параметры).

Вход модели – детерминированный или стахастический.

Планирование экспериментов – не только модель объекта но и выбрать цель управления.

Планирование экспериментов над человеком – психологические тесты – определение принадлежности испытываемого к профессиональной группе.

6. Синтез управления

Определение управления U(t) для того, чтобы достичь заданной цели Z* по полученной модели объекта, F(

,состоянии среды

, и выделенном ресурсе

. (Временном, энергетическим, материальным и др.)
7. Реализация управления

Типовые задачи управления
Под управлением понимают целенаправленное воздействие на объект управления для достижения определенной цели.

ω(t) V(t)

Объект управления

Блок измерений

U(t) X(t) Y(t)

Блок управления

Структура системы управления.
Объект управления – система, находящаяся входного управляющего под воздействием входного управляющего сигнала U(t) и внешних случайных помех ω(t). Сигнал X(t) с объекта управления поступает в блок измерений. Результат измерений Y(t) используется для формирования в блоке управления управляющего сигнала U(t). На процесс измерения в общем случае также воздействуют случайные помехи v(t). Алгоритм управления синтезируется на базе априорной информации об объекте управления и системе измерений и в соответствии с выбранным критерием качества, который представляет математическую формулировку цели управления.

Сигналы – скалярные илесли и векторные.

Если помехи ω(t) и v(t) отсутствуют, то задачу управления называют детерминированной, а если вводятся помехи и учитывается их статистичекая природа, то управление называется стахастическим.
Типовые задачи теории управления системами.
1.Идентификация систем

2.Оценивание состояния системы

3.Управления

3.1 Детерминированное управление

3.2 Стахастическое управление

Идентификация системы

ω (t) V(t)

Генератор входного сигнала

Объект

Система измерений (наблюдений)

Алгоритм идентификации

U(t) X(t) Y(t)

- структура и/или характеристики (параметры) объекта.
Оценивание состояния объекта
ω (t) состояние v(t)

Объект

Система измерений

Алгоритм оценивания
U(t) X(t) Y(t)

X(t)

Объект с полносαтью известной структурой находится под воздействием сигнала управления U(t) и помехи ω(t). Измеряется состояние X(t) объекта на фоне помехи V(t).

Известны вероятностные характеристики помех ω(t) и v(t), а также входной сигнал U(t), необходимо найти наилучшую (по некоторому критерию) оценку

(t) состояния X(t).

Решение этой задачи, которую называют задачей фильтрации, необходимо для формирования входного сигнала блока управления.

Если помеха ω(t) отсутствует ,то задачу называют задачей наблюдения. Если необходимо оценить будущее значение состояния, то эта задача называется задачей предсказания( экстраполяции, прогнозирования).

Задача управления

Алгоритм управления

Объект
X(t)

Для систем (объектов) с полностью известной структурой требуется определить управляющий сигнал U(t) и алгоритм его воздействия , который изменяет состояние системы так, чтобы была достигнута заданная цель и при оптимальном управлении целью является достижение экстремума некоторого критерия качества . При детерминированном управлении случайные помехи не учитываются.
Стахастическое управление

ω (t) v(t)

U
Объект управления

Сисиема измерений
(t) x(t) y(t)

Алгоритм управления
Управление Оценивание

Стахастическое оптимальное управление оптимальное управление в условиях случайных помех в управляемой и измерительной системах. По заданным характеристикам управления и объекта системы измерений и по известным вероятностным характеристикам помех необходимо найти такой алгоритм управления ,с помощью которого достигается экстремум выбранного критерия качества. Принцип разделения позволяет представить задачу стахастического управления в виде комбинации задач оптимального оценивания системы и оптимального детерминированного управления.
Структуры информационно-управляющих систем.
Обращение информации в измерительно-управляющих системах. Структуры информационно-управляющих систем. Интегрированные информационные системы предприятия. Меры информации. Энтропия в измерительных системах. Связь точностных и информационных характеристик. Информационная пропускная способность измерительных каналов. Погрешности измерительно-вычислительных систем. Сигналы как переносчики информации. Модуляция и детектирование сигналов. Точностной анализ измерительных каналов и систем.
Сигналы

Энциклопедический словарь.

Сигнал ( от латинского Signum – знак) – знак, физический процесс(или явление), несущий сообщение (интерполяцию) о каком либо событии, состоянии объекта наблюдения либо передающий команды управления, указания,оповещения и т.д.

Объекты наблюдения могут представлять сигналы физическими величинами, непригодными для восприятия и переноса информации в пространстве и во времени. Для преобразования их в форму, удобную для восприятия, передачи, хранения и обработки применяют первичные преобразователи информации( датчики, сенсоры).

Обычно первичные преобразователи информации (ППИ) выдают электрические сигналы, которые могут быть усилены,преобразованы и переданы на большие расстояния.

t) = A(t) (t)

Ћ(t) = . t)

Для получения “истинных” значений ставят и решают задачи восстановления сигналов. Для этого строят модель преобразований исходной физической величины в наблюдаемые значения.

S(t) – наблюдаемый сигнал

(t) - физический процесс в объекте

Цель обработки сигналов заключается в том, как на основе данных, получаемых на конечном интервале времени или пространства сформировать максимально достоверные представления о состоянии объекта наблюдения.

Решению задач обработки сигналов служат методы оценивания спектральных характеристик сигналов.

Классический спектральный анализ- метод обработки сигналов, который позволяет оценить частотный состав анализируемого сигнала.

Преобразование Фурье является математической основой для связи временной или пространственной модели сигнала с его представлением в частотной области.

История

Люди наблюдали циклические процессы,на основе которых они измеряли ремя. Сутки, сезонные изменения( наводнения в Египте-Греции), фазы Луны, движения планет и звезд.

VI в до н.э. – Пифагор установил соотношения между периодичностью колебаний струны и ее длиной .Далее он это распространил на движение небесных тел.

XVII век Исаак Ньютон – солнечный свет, прошедший через стеклянную призму, разлагается на многоцветную полосу (спектр солнечного света).

Он в 1671 г. впервые лввел понятие “спектр” в качестве научного термина от латинского слова Specter- образ, признак. Ньютон дал первую математическую трактовку периодичности волнового движения.

Решение волнового уравнения

Для колеблющейся струны в 1738г Даниилом Бернулли, который исследовал общее решение для смещения U(x,t) струны в точке x в момент времени t.

В 1822г Жан Батист Жозеф Фурье обобщил волновое уравнение и показал, что произвольную функцию U(x) можно представить в виде

U(x) = [α(k)cos(kαx) + b(k)Sin(kαx)]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 72

	Программа дисциплины «Системное программное обеспечение» для специальности... Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов специальности 230101. 65 «Вычислительные...		Программа дисциплины «Системное программное обеспечение» для специальности... Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов специальности 230101. 65 «Вычислительные...
	Программа дисциплины «Системное программное обеспечение» для специальности... Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов специальности 230101. 65 «Вычислительные...		Учебно-методический комплекс по дисциплине микропроцессорные системы Гос впо по специальности 230101. 65 Вычислительные машины, комплексы, системы и сети, утвержденный Министерством образования РФ «27»...
	По дисциплине «Вычислительные системы» Аппаратная платформа Макинтош Введение 3		Расшифровка -1-2-3 Инфраструктура хранения и обработки данных для обеспечения работоспособности Сервисов. Вычислительная инфраструктура может включать...
	Учебно-методический комплекс по дисциплине технологии программирования Гос впо по специальности 230101. 65 Вычислительные машины, комплексы, системы и сети, утвержденный Министерством образования РФ «27»...		Методические рекомендации по освоению учебной дисциплины 13 1 Самостоятельная... Гос впо по специальности 230101. 65 Вычислительные машины, комплексы, системы и сети, утвержденный Министерством образования РФ «27»...
	Рабочая программа дисциплины «Вычислительные системы» Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов направления 230100. 68 "Информатика...		Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине «Вычислительные... Организационная структура корпорации включает в себя административный аппарат (решает управленческие задачи) и производственный сектор...
	“ Вычислительные системы ” Создатель кибернетики Норберт Виннер назвал ее «наукой об управлении и связи в животном и машине». Сейчас понятие управления шире...		Автоматизированные системы обработки информации», «Электронные вычислительные... «Искусственный интеллект», «Программное обеспечение информационных технологий»
	Методические указания для студентов по выполнению практических (лабораторных)... Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования		Российской Федерации Государственное образовательное учреждение среднего... Методические указания предназначены для закрепления теоретических знаний и приобретения необходимых практических навыков и умений...
	Учебно-методический комплекс по дисциплине «Программирование на языках высокого уровня (яву)» Учебно-методический комплекс (умк) составлен на основании гос впо и учебного плана Улгту специальности (направления) 23010165 «Вычислительные...		Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине «Вычислительные... В данной курсовойработе необходимо разработать структурированную кабельную сеть для организации, объединяющей несколько подразделений...

“ Вычислительные системы ”

Кафедра “Вычислительных систем и технологий”

Курс лекций

Похожие: