Контрольная работа по "Основам теории управления". 2

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Заочный факультет

(дистанционная форма  обучения)

Кафедра автоматизированных систем управления (АСУ)

Контрольная работа №1

По дисциплине «Основы  теории управления»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Студент ТМЦДО

гр.:з-429-а

специальности: 230102

Верещагин Роман Евгеньевич

 

 

 

 

г. Курган

2013

 

1.Понятия «самонастройка»  и «самоорганизация». 

Самоуправление  предполагает самостоятельное решение  целевых задач, разработку средств  и методов их решения, создание неформальных синергических связей. Самоуправление реализует потребность индивидуума и коллектива к творчеству, к свободе, к самовыражению.

Высокая адаптация  к внешней среде компаний мирового класса объясняется оптимальным  соотношением между целенаправленным управлением и самоуправлением, управлением и саморегулированием. Принцип обратной связи позволяет автоматически учитывать новые сведения о состоянии объекта при его малых отклонениях от желаемого состояния и менять соответственно управляющие воздействия без вмешательства управляющего субъекта.

Использование феномена самоорганизации является необходимым условием поддержания конкурентоспособности и создания новых конкурентных преимуществ. Но самоорганизация сама по себе не приведет общество к высоким технологиям, к высокой организационной культуре. Она невозможна без фундаментальной науки, без образованного и дисциплинированного персонала, без образованного руководства, способного понимать ситуацию и служить стране, а не только собственному благополучию.

 

2.Периоды  развития теории управления. Краткая  характеристика этих периодов.

Первый этап развития теории управления: изучение генезиса механизма управления и основных этапов его становления, возникновение механизма управления и мировоззренческое философское обобщение модели механизма управления.

Необходимо проанализировать исторические тенденции мирового развития науки управления; аспекты управления и сравнительные характеристики типов цивилизации. На этом этапе  анализируется эволюция школ научного управления и вклад различных школ в теорию управления.

Содержание первого  этапа составляют философские и  исторические основы теории управления.

 

Второй этап: определение понятия управления, системы управления, цели и функции теории управления, понятия управленческого решения и управляющие воздействия, а также основные свойства организационного управления.

 

Третий этап: формулирование на основе познания объективных законов в теории управления соответствующих правил и рекомендаций для практической деятельности руководителей и органов управления. Знание законов, принципов управления помогает разработать методы управления и стиль управления организацией.

 

Четвертый этап изучения и исследования теории управления: методика выработки и принятия решения, планирование организации, контроль, система коммуникаций и мотивации управленческой деятельности.

 

Пятый этап: изучение и исследование процессов управления, создание системы управления (функциональной структуры, организационной структуры, схемы организационных отношений, профессионализма персонала), а также техники управления (системы документооборота, системы связи и телекоммуникаций, автоматизированные системы управления, компьютерная и оргтехника, офисная мебель).

 

Шестой этап развития теории управления – создание методологических основ оценки эффективности управления. Этот этап включает: цели, принципы, критерии и методы оценки эффективности управления.

 

3.Основные принципы  управления.

Принцип единства политики и экономики.

Экономика является базисом любого государства и общества и подчиняется объективным экономическим законам и закономерностям. Их учет и разумное использование приводит к экономическому росту, а игнорирование или не учет проявляются в экономическом спаде или кризисе. Политика отражает надстройку любого государства и представляет собой концентрированное выражение экономики. Это означает, что при осуществлении хозяйственной деятельности общество не может не учитывать политических последствий тех или иных экономических мер на общественное развитие, на изменения в базисе и надстройке.

Научность.

Этот принцип определяет, что  управленческая деятельность, формирование, функционирование, и развитие систем управления должны базироваться на основании  данных науки, т.е. объективных законах  и закономерностях. Кроме этого, принцип научности предполагает использование имеющегося арсенала современных научных методов познания объектов управления, исследование реальных ситуаций, условий, в которых протекает жизнедеятельность этих объектов. Особенностью этого принципа также является применение в практической деятельности достижений теории и опытных данных научного управления объектами разного рода, т.ч. различной отраслевой принадлежности.

Системность и комплексность.

Принципы системного подхода предусматривают  изучение объекта управления и управляющей системы совместно и нераздельно. Системность означает необходимость использования системного анализа и синтеза в каждом управленческом решении. В системе управления неправильное, ошибочное решение можно свести на нет всю деятельность системы, привести к ее разрушению.Комплексность в управлении означает необходимость всестороннего охвата всей управляемой системы, учет всех направлений, всех сторон деятельности, всех свойств.

Принцип единоначалия в  управлении и коллегиальности в выработке решений.

Принцип единоначалия исходит из того, что у каждого подчиненного должен быть один непосредственный начальник, отдающий ему распоряжения, приказы, и отчитывается подчиненный только перед ним.Любое принимаемое решение  должно разрабатываться коллегиально (коллективно). Это означает всесторонность (комплексность) его разработок и учет мнений многих специалистов по различным вопросам. Принятое коллегиально решение проводится в жизнь под персональную ответственность руководителя организации.

Принцип централизации  и децентрализации.

Централизация это когда люди, власть, ответственность, структуры подчиняются  одному центру, одному лицу или какому-либо органу управления. Централизация позволяет  обеспечить жесткую координацию  звеньев в рамках системы управления.

Децентрализация происходит в результате передачи части власти, полномочий и ответственности, а также права  принятия решения в пределах своей  компетенции на более низкие уровни управления. В результате децентрализации  происходит «рассредоточение» власти. Децентрализация способствует структурной гибкости и развитию адаптивных возможностей системы управления.Централизация и децентрализация находятся в единстве и взаимном дополнении друг друга. Не может существовать полностью децентрализованная структура управления, поскольку она потеряет свою целостность. С другой стороны не может существовать и система управления, лишенная полностью децентрализации, - с потерей автономности она свою структурность.

Принцип пропорциональности в управлении.

Данный принцип находит  свое отражение в соотносительности  управляющей и управляемой частей организации. Ее суть заключается в  обеспечении взаимного соответствия между субъектом и объектом управления. Рост и усложнение объекта управления, к примеру, подсистемы производства, ведет к росту и усложнению субъекта управления (управляющей подсистемы).Уровень соответствия субъекта управления объекту управления может быть определен рядом показателей, таких как: соотношение численности управленческого персонала и рабочих; соотношение мощности вспомогательных и обслуживающих подсистем (информационной, математической, технической) потребностям функциональных подразделений) и т.д.Принцип пропорциональности в управлении актуален при нахождении и соблюдении правильного соотношения между коллегиальностью и единоначалием, организацией и самоорганизацией, централизацией и децентрализацией, что составляет круг важнейших задач управления.

Принцип единства распорядительства в управлении.

Рациональная структура  управления это структура, в которой установлена четкая персональная закрепленность полномочий распорядительства по каждому конкретному вопросу на каждом уровне и по отношению каждому объекту управления (подразделению или работнику), за конкретным руководителем.Однозначность закрепления полномочий распорядительства обеспечивает четкость функционирования управленческой вертикали. Каждый руководитель имеет полную ясность относительно пределов своей компетенции и действует в соответствии с этими представлениями.

Принцип экономии времени.

Принцип экономии времени  требует постоянного уменьшения трудоемкости операций в процессе управления. Это прежде всего относится к  информационным операциям по подготовке и реализации решений.

Принцип приоритета функций управления над структурой при создании организации и наоборот, приоритет структур над функциями управления в действующих организациях.

Создание новых систем управления осуществляется для реализации определенного набора целей. Каждая цель реализуется набором задач. Затем эти задачи группируются по общности, для этих групп формируется набор функций, а затем набор производственных и управленческих звеньев и структур.В реально действующих системах управления управленческие функции распределены между производственными и управленческими звеньями и структурами, отлажены взаимосвязи между элементами структуры.В процессе функционирования организации лишние элементы структуры «отмирают», а недостающие постепенно появляются, вместе с ними «отмирают» или появляются новые функции.

Принцип делегирования полномочий.

Принцип делегирования  полномочий состоит в передачи руководителем  части возложенных на него полномочий, прав и ответственности своим  компетентным сотрудникам. Главная  практическая ценность принципа состоит  в том, что руководитель освобождает свое время от менее сложных повседневных дел и может сконцентрироваться свои усилия на решении задач сложного управленческого уровня.

Принцип обратной связи.

Обратная связь в  системах управления – это особая форма устойчивой внутренней связи  между субъектом и объектом управления, которая носит информационный характер и является необходимым условием протекания процессов управления, а также имеет целью координацию управленческих действий. Суть принципа обратной связи заключается в том, что любое отклонение системы от её естественного или заданного состояния является источником возникновения в субъекте управления нового движения, направленного на то, чтобы поддержать систему в её заданном состоянии.

Принцип экономичности.

Это требование – правило  управленческой деятельности, системы управления, определяющее: управление должно осуществляться с наименьшими затратами ресурсов, однако, не в ущерб его рациональности и результативности. В любом случае их показатели должны соотноситься и оптимально сочетаться. Сопоставление различных вариантов результатов и затрат на управление дает ответ об его экономичности.

Принцип эффективности.

Этот принцип –  требование к управленческой деятельности обеспечивать высокую результативность (прибыльность) функционирования объекта  управления. Его количественная определенность может выражаться через показатели результативности деятельности объекта управления и дополняться соответствующими синтетическими показателями оценки самой управленческой работы.

Принцип мотивации.

Этот принцип утверждает, что управление может быть высоко результативным только при справедливом стимулировании персонала объекта и субъекта управления. Стимулирование осуществляется в двух основных формах – материальной и морально-психологической, причем они должны гармонично сочетаться между собой при ведущей и определяющей роли материальных факторов мотивации успешной деятельности.

 

4.Классификация  САУ по характеру внутренних  динамических процессов.

1. Непрерывность.

а) САУ бывают непрерывные - это такие системы, в которых во всех звеньях непрерывному во времени входному сигналу соответствует непрерывный во времени выходной сигнал.

Для того чтобы система  была непрерывная, необходимо наличие  непрерывных статических характеристик  системы.

 

б) дискретные САУ- это такие системы,  в которых хотя бы в одном звене непрерывному входному сигналу соответствует дискретный выходной сигнал (или импульс). Такое звено, называется импульсным.

К дискретным системам, как  разновидность, относятся цифровые САУ, в которых функции регулятора выполняет цифровое устройство, а выходная величина представляет собой цифры.

в) релейные САУ (системы  релейного действия) - это системы, в которых хотя бы в одном звене непрерывной входной величине соответствует выходная величина, изменяющаяся скачком.

Статическая характеристика релейных систем имеет точку разрыва.

 

 

2. Линейность. 

а) 1. Обыкновенные линейные системы (с  сосредоточенными параметрами) – это  такие системы, в которых в  каждом из звеньев динамические процессы описываются обыкновенными линейными уравнениями. Статическая характеристика таких систем имеет линейный вид. Параметры (коэффициенты) этой системы постоянны во времени.

 

а) 2. Особые линейные системы, среди  которых различают:

линейные системы с переменными параметрами- это такие САУ, в которых хотя бы одни параметры системы изменяются во времени, например, коэффициент усиления.

линейные САУ с распределенными  параметрами- это такие САУ, динамика которых описывается частными производными.

линейные системы с запаздыванием- это такие САУ, в которых присутствует хотя бы одно звено чистого запаздывания (непрерывному входному сигналу соответствует непрерывный выходной сигнал, сдвинутый по времени на t, где t - время запаздывания).

 

б) Нелинейные системы - это такие САУ, в которых хотя бы одно звено описывается нелинейным уравнением или имеется нелинейность иного вида, такая как произведение двух переменных, квадратный корень, степень и др.

 

Среди нелинейных систем также выделяют особые нелинейные системы:

б) 1. нелинейные системы  с переменными параметрами;

б) 2. нелинейные системы  с распределенными параметрами;

б) 3. нелинейные системы  с чистым запаздыванием;

б) 4. К нелинейным системам относятся релейные системы

5.Основные  линейные законы регулирования.

Простейшим  является пропорциональный закон и  регулятор в этом случае называют П- регулятором. При этом U=U0+kD , где U0-постоянная величина, k - коэффициент пропорциональности. Основным достоинством П - регулятора является простота. По существу, это есть усилитель постоянного тока о коэффициентом усиления k. Недостатки П - регулятора заключаются в невысокой точности регулирования, особенно для объектов с плохими динамическими свойствами.

Интегральный  закон регулирования и соответствующий И - регулятор реализует следующую зависимость:

,

где Т -постоянная времени интегрирования.

Техническая реализация И - регулятора представляет собой усилитель  постоянного тока с емкостной  отрицательной обратной связью. И - регуляторы обеспечивают высокую точность в установившемся режиме. Вместе с тем И - регулятор вызывает уменьшение устойчивости переходного процесса и системы в целом.

Пропорционально-интегральный закон регулирования позволяет  объединить положительные свойства пропорционального и интегрального законов регулирования. В этом случае ПИ - регулятор реализует зависимость:

Мощным средством  улучшения поведения САР в  переходном режиме является введение в закон регулирования производной  от ошибки. Часто эта производная  вводится в пропорциональный закон регулирования. В этом случае имеем пропорционально-дифференциальный закон регулирования, регулятор является ПD- регулятором, который реализует зависимость:

Кроме ПИ и ПД регуляторов, часто на практике используют ПИД -регуляторы, которые реализуют пропорционально–интегрально- дифференциальный закон регулирования:

Среди нелинейных законов регулирования наиболее распространены релейные законы. Существуют двухпозиционный и трехпозиционный  законы регулирования. Аналитически двухпозиционный  закон регулирования записывается следующим образом:

Трехпозиционный закон регулирования имеет следующий  вид:

На рис 1.5. представлены в графическом виде релейные законы регулирования.

При трехпозиционном  законе регулирования величина D Н определяет зону нечувствительности регулятора.

Применение  релейных законов позволяет при  высоком быстродействии получить такие  результаты, которые невозможно осуществить  с помощью линейных законов,

 

6.Физический  смысл весовой (импульсной переходной) функции линейной системы.

Весовая функция  звена. Весовой функцией звена k(t) называется оригинал (т. е. обратное преобразование Лапласа) передаточной функции, а именно:

где si—все полюса передаточной функции W(s). Иногда вместо k(t) применяют  обозначение w(t). В этой формуле Res обозначает вычеты (см. теорию функций комплексного переменного).

 

 

Поскольку при  нулевых начальных условиях  согласно (1.6)

то в случае, если Х1 = 1, т. е. если х1 (t) = δ (t) — дельта-функция, будет иметь место равенство

Известно, что  δ-функция представляет собой единичный мгновенный импульс (рис. 1.5),

для которого t1 → 0, c1 → ∞, причем площадь t1 c1 = 1.

Следовательно, физический смысл весовой функции  звена есть реакция звена на единичный  мгновенный импульс, поданный на вход звена.

Иначе говоря, весовая функция k(t) представляет собой переходный процесс на выходе звена (рис. 1.5) при подаче на его вход единичного импульса. Поэтому

весовую функцию  часто называют импульсной переходной функцией.

 

7.Понятия  АФХ, АЧХ, ФЧХ. Достоинство ЛАХ  перед АЧХ.

Амплитудно-фазовая  частотная характеристика (АФЧХ) — удобное представление частотного отклика линейной стационарной динамической системы в виде графика в комплексных координатах. На таком графике частота выступает в качестве параметра кривой, фаза иамплитуда системы на заданной частоте представляется углом и длиной радиус-вектора каждой точки характеристики. По сути такой график объединяет на одной плоскости амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики.

Главнейшим  достоинством ЛАХ является возможность  построения ее во многих случаях практически  без вычислительной работы. Это особенно важно тогда, когда частотная  передаточная функция может быть представлена в виде произведения сомножителей. Тогда результирующая ЛАХ может быть найдена суммированием ординат ЛАХ, соответствующих отдельным сомножителям .

8.Понятия  управляемости и наблюдаемости  САУ. Критерии управляемости и наблюдаемости стационарных линейных САУ.

Состояние   линейной системы управляемо, если существует такой вход  , который переводил бы начальное состояние   в конечное состояние   (начало координат) за конечный интервал времени  .

Система называется полностью управляемой, если все компоненты её вектора состояний управляемы.

Система называется наблюдаемой, если на конечном интервале  времени по выходу системы в конце  этого интервала   при известном управляющем воздействии   можно определить все начальные компоненты вектора состояния  '.

Соответственно  наблюдаемыми состояниями системы  являются те компоненты вектора состояния, которые можно восстановить по условиям, приведённым выше.

Более формально  можно сказать, что наблюдаемость  позволяет по выходу системы судить о процессах, происходящих внутри неё. Ввиду того, что состояния системы играют важную роль в управлении с помощью обратных связей, важно, чтобы они были наблюдаемыми.

Для линейных систем существует критерий управляемости в пространстве состояний.

Пусть существует система порядка   (с   компонентами вектора состояния),   входами и   выходами, записанная в виде:

где

;  ;  ;

,  ,  ,  ,  .

здесь   — «вектор состояния»,   — «вектор выхода»,   — «вектор входа»,   — «матрица системы»,   — «матрица входа»,   — «матрица управления»,   — «сквозная матрица».

Для неё можно  составить матрицу управляемости:

Согласно критерию управляемости если ранг матрицы управляемости равен  , система является полностью управляемой.

Для линейных систем существует критерий наблюдаемости в пространстве состояний.

Пусть существует система порядка   (с   компонентами вектора состояния),   входами и   выходами, записанная в виде:

где

;  ;  ;

,  ,  ,  ,  .

здесь   — «вектор состояния»,   — «вектор выхода»,   — «вектор входа»,   — «матрица системы»,   — «матрица входа»,   — «матрица управления»,   — «сквозная матрица».

Для неё можно  составить матрицу наблюдаемости:

Согласно критерию наблюдаемости если ранг матрицы наблюдаемости равен  , система является наблюдаемой.

 

9.Краткая  характеристика особых ТДЗ.

      Особые TДЗ CAУ - нeминимaльнo-фaзoвыe (если пoлюc иx пepeдaтoчнoй функции или xoтя бы oдин нyль  имeeт  пoлoжитeльнyю  вeщecтвeннyю  чacть)  нeyстойчивыe  звeнья,  звeнья   c   pacпpeдeлeнными пapaмeтpaми (иppaциoнaльныe - пepeдaтoчныe функции c пoдкopeнными выpaжeниями, тpaнcцeндeнтныe c    e^(-pt)  -  тpaнcцeндeнтныe  пepeдaтoчныe  функции),  диcкpeтные звeнья c мoдyлиpoвaнным  cигнaлoм.  Oни cocтaвляют ocнoвy ocoбыx линeйныx CAУ: CAУ c  пepемeнными пapaмeтpaми,  CAУ c  зaпaздывaниeм и pacпpeдeлeнными пapaмeтpaми,  инoгдa  к ним пpичиcляют  импyльcныe  CAУ или CAУ c  диcкpeтным временем.

 

10.Основные  свойства графов прохождения  сигналов.

Сигнал умножается на коэффициент передачи ветви и  проходит к конечному узлу В каждом узле все сигналы входящих ветвей алгебраически суммируются и создают полный сигнал в этом узле. В свою очередь этот сигнал передается вдоль каждой выходящей ветви. Каждому такому узлу соответствует линейное уравнение, имеющее столько членов, сколько присоединено ветвей. 

Расчетная часть

Объект управления (ОУ) описывается  линейным дифференциальным уравнением третьего порядка:

       Определить по данному уравнению  для ОУ:

1. передаточную функцию;
2. частотные характеристики – амплитудную (АЧХ), фазовую (ФЧХ) и логарифмические (ЛЧХ);
3. переходную и импульсную переходную (весовую) функции;
4. начертить графики переходных и частотных характеристик.

Использовать следующие коэффициенты:

Т1 = 4,000

Т2 = 6,000

Т3 = 4,000

k = 5,000.

Решение:

1) Подставим коэффициенты в уравнение  и получим 

Передаточную функцию ОУ в общем  случае можно представить в виде отношения  , где и - изображения по Лапласу выходной и входной переменных ОУ, соответствующих левой и правой частям уравнения. Таким образом, передаточная функция примет вид:

,

или

.

2) Определяем частотные характеристики – амплитудную (АЧХ), фазовую (ФЧХ) и логарифмические (ЛЧХ).

 

Частотная передаточная функция  может быть представлена в виде:

, (1),

где      – амплитудная частотная характеристика (АЧХ);

 – фазовая частотная характеристика (ФЧХ);

 – вещественная часть частотной  характеристики;

 – мнимая часть частотной  характеристики.

 

 

Подставим в выражение (1) вместо . Получим следующее выражение, за счет свойства i2 = -1:

     (2),

Исходя из полученных выражений, выделим амплитудную  и фазовую частотные характеристики:

Приведем (2) к  виду (1). Для этого умножим числитель и знаменатель на число, комплексно-сопряженное со знаменателем:

  (3),

Преобразовав  данное выражение, получим:

 

Амплитудная частотная  характеристика определяется из следующего соотношения:   

Следуя из выражения  для  , после ряда преобразования получим:

Выражение для  ФЧХ будет иметь вид:

Подставив в  выражения для АЧХ и ФЧХ наши данные, получим:

 

Определим ЛАЧХ из соотношения:

.

Данная характеристика имеет размерность  дБ (децибелы) и показывает изменение  отношения мощностей выходной величины к входной. Для удобства ЛАЧХ строят в логарифмическом масштабе.

Фазовая частотная характеристика, построенная в логарифмическом  масштабе, будет называться логарифмической  фазовой частотной характеристикой (ЛФЧХ).

 

Определим импульсную переходную (весовую) функцию. Весовая функция представляет собой реакцию системы на единичную импульсную функцию, поданную на ее вход. Весовая функция связана с передаточной функцией преобразованием Лапласа.

.

Следовательно, весовую функцию  можно найти, применив обратное преобразование Лапласа к передаточной функции.

.

 

Найдем обратное преобразование Лапласа  от передаточной функции и построим график весовой функции.

Найдем обратное преобразование Лапласа  от , тем самым найдем переходную функцию , которая является реакцией системы на ступенчатое воздействие, и построим её график.

Найдем весовую функцию. Для  этого при помощи MathCad’а применим обратное преобразование Лапласа к функции и получим:  

 

 

 

Найдем переходную функцию. Для  этого, опять же при помощи MathCad, применим обратное преобразование Лапласа к функции , получим