Определение понятия «система». Основное свойство систем. Виды систем

 

 

Пермский государственный  технический университет

Электротехнический  факультет 

Кафедра ИТАС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная  работа по дисциплине

«Основы инженерного творчества»

Студента I курса, группы ЭСз-07-01

Баталова С.Н.

 

Преподаватель:

Рустамханова  Г.И.

 

 

                    

 

 

 

 

 

Пермь, 2007

 

Оглавление.

 

1	Определение понятия  «система». Основное свойство систем. Виды систем. В чем заключается  системный подход.	2-3 стр.
2	Понятие о технических  объектах, их примеры. Сигналы в объектах. Понятие о статических режимах и их характеристиках.	3-4 стр.
3	Понятие о разомкнутых  системах. Их структурные схемы и  характеристики (уравнения, графики).	4-5 стр.
4	Способ компенсации  статических ошибок методом отрицательной  обратной связи. Структурная схема, уравнения и их анализ, графические характеристики. Основные свойства таких систем, по отношению к возмущающим воздействиям, вызывающих ошибки регулирования.	5-6 стр.
5	Что произойдет со свойствами системы при замене отрицательной обратной связи на положительную?	6-7 стр.
6	Применение  метода   компенсации ошибки с  использованием возмущающего воздействия. Структурная схема уравнения. Анализ свойств таких систем. В чем  заключается идея комбинированного регулирования. Сопоставить свойства различных методов компенсации статических ошибок.	7-9 стр.
7	Сопоставить возможности  человека и техника в системах управления.	9-10 стр.
8	Кратко перечислите  виды информационных процессов человека и их основные свойства.	10-14 стр.
9	Кратко перечислите применяемые человеком органы управления и условия их применения.	14 стр.
10	Перечислите, приведите и сравните между собой  приборы и системы отображения  информации.	15-16 стр.
	Список используемой литературы.	17 стр.

 

 

1.Определение понятия  «система». Основное свойство систем. Виды систем. В чем заключается системный подход.

Развитие  теории и практики управления объектами  различной природы явилось одной из основных причин формирования нового методологического направления - системного подхода. В свою очередь, системный подход оказывает плодотворное влияние на исследование сложных систем и сложных ситуаций, с которыми приходится сталкиваться инженерам любого профиля.

В самом общем  случае под системой понимается совокупность элементов, находящихся друг с другом в связях и отношениях так, что они образуют определенную целостность, единство.

Свойство  целостности проявляется в несводимости свойств системы к сумме свойств ее элементов. Свойства системы зависят не только и не столько от свойств элементов, сколько от схемы их взаимосвязи, то есть от структуры системы. Система проявляет свои свойства во взаимодействии со средой. В сохранении свойств системы при воздействии на нее среды проявляется целостность системы. При этом стабильность ее структуры, играет большую роль, чем стабильность свойств элементов.

В зависимости  от целей исследования к системе  может относиться та или иная совокупность взаимодействующих между собой элементов. Каждый элемент тоже может рассматриваться как система. В этом случае остальные элементы становятся частью среды.

Все системы можно  разделить на материальные и абстрактные. В первую категорию входят неорганические и живые системы.

-В неорганические входят технические системы, являющиеся результатом деятельности человека, и природные (геологические, астрономические, химические и др.).

-К живым системам относятся как простейшие организмы, так и сложнейшие биологические комплексы типа экосистем.

-Абстрактные системы являются результатом человеческого мышления. К ним относятся научные знания, лингвистические системы (язык), системы понятий, гипотез, теорий и т.д.

Особый и  очень важный класс составляют гибридные системы:

-социально-экономические;

-человеко-машинные.

Сложность системы  определяется в основном сложностью ее структуры. Сложные (большие) системы, приобретающие в последнее время все большее значение, обладают рядом специфических свойств. Структура сложных систем имеет иерархический характер, когда нижние структуры управляются соответствующими верхними. Это особенно четко проявляется в

административных  и экономических системах.

Сложные системы включают в себя множество элементов, среди которых могут быть элементы различной природы. Так, участок цеха, цех и промышленное предприятие как системы включают в себя технику и людей, управляющих этой техникой и людей-администраторов. Сложные системы обычно обладают высокой степенью активности. Ряд авторов считает, что каждая сложная система отличается оригинальностью и даже уникальностью.

Важнейшим для  теории и практики управления является вопрос о месте человека в системах управления и вопрос о рациональной степени автоматизации технологических процессов.

Только в  случае угрозы жизни и здоровью человека должен ставиться и решаться вопрос о его безусловном выводе из системы. Во всех остальных случаях задача о рациональной степени автоматизации должна формулироваться как экономическая с учетом конкретных технологических условий, возможностей техники на данном этапе ее развития и возможностей человека.

По мере развития техники и технологии человек как субъект управляющей деятельности вытесняется на все более высокие иерархические уровни процессов управления. При этом ответственность его за собственную управляющую деятельность многократно возрастает, так как многократно возрастает цена за его ошибочные или нерациональные действия.

Только задачу формулировки целей управления человек  никогда не поручит технике, т.к. эти цели всегда должны отвечать его интересам, интересам общества.

В сложных  системах человек (коллектив), находящийся  на высших уровнях управления, может повышать свою активность, а следовательно, и   активность системы по решению и реализации задач изменения цели управления в зависимости от внешней ситуации.

В системы, функционирующие  без участия человека, цель закладывается на этапе их разработки конструкторами.

Заметим, что  в определении цели функционирования технических систем, степени их автоматизации решающая роль должна принадлежать специалистам-технологам, обладающим необходимым объемом знаний по управлению техническими объектами. Помимо того, технолог должен принимать участие в разработке систем автоматического управления (САУ) на всех основных этапах их создания.

2.Понятие о технических объектах, их примеры. Сигналы в объектах. Понятие о статических режимах и их характеристиках.

В данном курсе под объектами понимаются только технические устройства или технологические процессы. Примерами технических объектов являются сварочные процессы, различные двигатели, генераторы электрической энергии, металлорежущие станки, манипуляторы, грузоподъемные и транспортные машины, плавильные агрегаты литейного производства, бункеры, дозаторы и т.д.

Режим объекта  управления определяется внешними воздействиями (сигналами) на него (рис. 1.1).

 

 

 

 

 

 

 Одни из этих  воздействий (g₁, g₂…, g₃) предназначены для реализации требуемого режима и называются управляющими. Другие воздействия, идущие из окружающей среды и стремящиеся отклонить режим объекта от требуемого (f₁, f₂,..., f_k ), называются возмущениями.

Нежелательные изменения режима могут вызвать  и внутренние возмущения, связанные с дрейфом параметров самого объекта в процессе его эксплуатации. Возмущающие воздействия обычно имеют случайный характер.

Режим объекта  характеризуется одной или несколькими переменными (y₁,y₂…,y_n), называемыми управляемыми, или выходными, величинами (сигналами).

Часто совокупность сигналов одной категории представляется соответствующими результирующими векторами (G,F,Y ). имеющими своими проекциями отдельные сигналы.

В простейших случаях объект управляется одним  воздействием и характеризуется одной выходной величиной. Такой объект называется одномерным, а в противном случае - многомерным. В многомерных объектах часто изменение отдельных управляющих воздействий оказывает влияние сразу на несколько выходных сигналов. Такой объект называется многосвязным. Управление многосвязным объектом является сложной задачей.

Различают установившиеся и переходные (динамические) режимы объектов и систем в целом. При подаче или изменении внешних воздействий объект изменяет свое состояние. Если объект обладает динамической устойчивостью, то со временем в нем устанавливается новый режим, соответствующий этим воздействиям. Такой режим называется установившимся, или статическим. Режим, соответствующий переводу объекта из исходного состояния в новое установившееся состояние, называется переходным, или динамическим. Установившиеся режимы играют тем большую роль, чем более длительное время они реализуются в соответствии с технологическим процессом.

Если технологические  режимы являются циклическими с относительно быстрой сменой состояния объектов, то длительность протекания переходных режимов существенно влияет на производительность. Важная роль переходных процессов заключается и в том, что они могут сопровождаться колебаниями, реализациями экстремальных значений важных технологических переменных и другими нежелательными явлениями. В данном разделе рассматриваются только установившиеся режимы. Во всех дальнейших выкладках будем считать, что между входными и выходными сигналами объектов и других элементов систем существует линейная зависимость. В ряде случаев это справедливо лишь для определенных условий, о чем в тексте будут сделаны специальные оговорки.

3.Понятие о разомкнутых системах. Их структурные схемы и характеристики (уравнения, графики).

При управлении простейшими объектами, обладающими свойством самовыравнивания, человек-оператор может предполагать, что на его определенное управляющее действие последует предсказуемая реакция объекта. При неизменных характеристиках объекта ошибка выходного сигнала может быть вызвана только внешними возмущающими воздействиями. Если эти ошибки допустимы, то функционирование такой системы допустимо без контроля за текущим значением выходного сигнала. Такие системы называются разомкнутыми. Функциональная схема такой системы представлена на рис. 1.5,

 

I/

Рис. 1.5. Функциональная схема  разомкнутой системы

 где К_],К₂ - коэффициенты усиления (передачи) устройства управления (УУ) и объекта управления (ОУ). Поданное на устройство управления входное воздействие х, (например, перемещение органа управления) преобразуется в управляющее воздействие g. Пусть на вход объекта действует возмущение /, отклоняющее выходной сигнал у в сторону его уменьшения. Тогда в соответствии с рис. 1.5 можно записать

y = Kx-K₂f,                        (1.4)

где К - коэффициент усиления разомкнутой системы, К = К₁ К₂;

K₂f - отклонение выходного сигнала от заданного значения (статическая ошибка).

При отсутствии возмущения

у = К₁К₂х = у₀.                           (1.5)

 

4.Способ компенсации статических ошибок методом отрицательной обратной связи. Структурная схема, уравнения и их анализ, графические характеристики. Основные свойства таких систем, по отношению к возмущающим воздействиям, вызывающих ошибки регулирования.

                                    

                                              (1.7)

 

Из формулы (1.7) следует, что чем больше величина K_ос, тем меньше статическая ошибка. Однако уменьшить ее до нуля принципиально невозможно. Поэтому такие системы называются статическими, а точность их часто характеризуется относительной статической ошибкой S, называемой статизмом:

                                                     

                                                                                      (1.8)

где y_max – максимальное значение выходного сигнала;

где y_min – минимальное значение выходного сигнала.

Статические системы широко используются при  управлении техническими системами. Дополнительным достоинством таких систем является то, что уменьшение статической ошибки на выходе происходит от любых возмущений. Это свойство будет доказано на конкретном примере. Следует особо подчеркнуть, что в данных системах знак сигнала обратной связи противоположен знаку задающего сигнала. В связи с этим такие системы характеризуются как системы с отрицательной обратной связью или как системы с регулированием по отклонению (по ошибке).

5.Что произойдет со свойствами системы при замене отрицательной обратной связи на положительную?

Вывод уравнения  статики в этом случае аналогичен выводу для системы с отрицательной обратной связью за исключением того, что в данном случае = и + х_ос. После необходимых преобразований получим

 

                                                   

                                                                (1.9)

Реально К₁К₂К_0С<1. При К_]К₂К_0С=1 система делается неуправляемой, т.к. при входном сигнале любой величины выходной сигнал непрерывно возрастает, и система самовозбуждается.

Из сравнения (1.7), (1.9) видно, что положительная обратная связь увеличивает выходной сигнал системы в (1 - К₁К₂К_0С)^-1 раз, но во столько же раз возрастает и статическая ошибка от возмущения. В этом случае коэффициент усиления замкнутой системы

 

На рис. 1.9 представлены статические зависимости выходного сигнала от возмущения для рассмотренных систем при одинаковых задающих воздействиях.

Помимо того, что системы с положительной  обратной связью имеют повышенную статическую ошибку, они склонны к самовозбуждению колебаний и динамической неустойчивости. В связи с этим такие системы, как правило, не проектируются. Однако положительная обратная связь широко используется для повышения коэффициентов усиления отдельных элементов систем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.Применение  метода   компенсации ошибки  с использованием возмущающего  воздействия. Структурная схема  уравнения. Анализ свойств таких  систем. В чем заключается идея  комбинированного регулирования.  Сопоставить свойства различных  методов компенсации статических ошибок.

Для уменьшения статической ошибки применяется  также способ регулирования по возмущению. Суть его заключается в том, что для уменьшения ошибки используется сигнал, пропорциональный возмущению, являющемуся прямой причиной этой ошибки. В идеале этот компенсирующий сигнал, добавленный к задающему с соответствующим знаком, может полностью устранить статическую ошибку.

На рис. 1.10 представлена функциональная схема системы с  регулированием по возмущению. Отметим, что структура такой системы не образует замкнутого контура.

В   данной   системе   соотношения   переменных   определяются следующим образом:

 

                               (1.10)

 

 

Видно, что для полной компенсации ошибки необходимо выполнить условие К_к = К₁^-1. Если значения К_к и K₁ стабильны, то влияние данного возмущения на выходную величину может быть сведено к нулю. Однако, если на объект будут действовать другие возмущения, то ошибка от их воздействия сохранится. Дополнительная сложность реализации такого способа компенсации ошибки заключается в необходимости преобразования энергии возмущения в сигнал той формы энергии, которую имеет задающее воздействие и.

При высоких  требованиях к точности поддержания  выходного сигнала используются комбинации регулирования по возмущению и регулирования по отклонению. При этом конструкцией предусматривается регулирование по наиболее сильному и часто реализующемуся возмущению. Ошибки от других возмущений компенсируются (частично) с помощью отрицательной обратной связи. Функциональная схема такой комбинированной системы представлена на рис. 1.11.

Рассмотрим сперва режим, когда возмущение отсутствует (f = 0). Сигнал z будет нарастать до тех пор, пока будет существовать ошибка . Ошибка же исчезнет только в том случае, когда выходной сигнал у сравняется с задающим и. При этом z = const, т.е. при К_ос = 1 в установившемся режиме выходной сигнал повторяет задающий. Если в таком режиме возникнет возмущение, то сигнал у изменится и возникнет ошибка. Сигнал z будет изменяться до тех пор, пока величина у не сравняется с и. При этом снова возникнет установившийся режим при у = и, но при некотором изменении величины z, что приведет к компенсации ошибки от возмущения. Полная компенсация ошибки произойдет только в том случае, если во время процесса регулирования возмущение будет оставаться неизменным.

7.Сопоставить  возможности человека и техника  в системах управления.

На самом современном  предприятии можно увидеть людей, выполняющих важные производственные функции (планирование деятельности предприятия, непосредственное оперативное управление конкретными технологическими процессами, программирование автоматизированных систем управления, контроль за ходом технологического процесса и его наладка и так далее).

Как было уже сказано, замена человека автоматом может быть оправдана либо получением положительного экономического эффекта, либо заметным повышением уровня безопасности труда.

С развитием техники  происходит последовательная передача машине сначала физических, а затем и некоторых интеллектуальных функций человека.

На настоящем  этапе развития техники считается, что профессионально подготовленный человек имеет перед ней следующие  преимущества:

• готовность приема информации различной модальности;
• обнаружение и опознание полезных сигналов на фоне помех;
• опознание сложных образов;
• экстраполяция (предвидение) сложных процессов;
• способность принимать целесообразные решения в условиях дефицита информации;
• хорошая обучаемость и глубокая адаптация к изменяющимся ситуациям;
• использование эвристических методов при решении сложных задач анализа и синтеза;
• способность к целеобразованию;
• ответственность за принятые решения;
• способность человека, участвуя в функционировании системы, придавать ей свойство активности.

Наука начала реализовывать ряд перечисленных функций человека, хотя возможности соответствующих функций техники еще далеки от возможностей человека.

Преимущества  современной техники:

• стабильность свойств;
• быстрое и точное выполнения однообразных операций в течение длительного времени;
• реализация больших усилий;
• быстрая реакция на сигналы;
• способность одновременно управлять несколькими операциями;
• быстрое и точное выполнение  вычислительных и  формальных логических операций по известным алгоритмам;
• чувствительность к сигналам, находящимся за пределами возможностей анализаторов человека;
• нечувствительность к эмоциональным и другим факторам, вызывающим нестабильность деятельности человека;
• способность надежно функционировать в условиях, опасных для человека.

Сравнение приведенных данных свидетельствует о том, что достоинства человека и современной техники в единой системе гармонично дополняют друг друга. Следовательно, при разработке человеко-машинных (эргатических) систем или автоматизированных систем управления необходимо рационально распределять функции между человеком и машиной, добиваясь для данных эксплуатационных условий наилучшей эффективности.

8. Кратко перечислите виды информационных процессов человека и их основные свойства (3-4 рукописные страницы).

Человек получает информацию о внешних ситуациях посредством системы своих анализаторов. Каждый из них состоит из рецептора - органа, воспринимающего сигналы определенной энергии и превращающего эти сигналы в нервные импульсы, которые поступают в определенные участки коры полушарий мозга. Имеется и обратная связь, через которую нервные импульсы из участков головного мозга поступают обратно на рецептор.

Каждый из анализаторов характеризуется минимальным сигналом, ощущаемым человеком (нижний абсолютный порог); уровнем сигнала, вызывающего при его приращении болевое ощущение (верхний абсолютный порог), а также величиной диапазона воспринимаемых адекватно сигналов.

Процесс отражения  отдельных свойств предмета, определенных анализатором (громкость звука, цвет предмета и т.п.), является простейшим информационным процессом, и как говорят, отражает определенную модальность. Но данная информационная единица-ощущение слишком мелка для быстрого и обобщенного чувственного суждения о предмете в целом. Для преодоления этого неудобства в мозгу человека происходит синтез всех ощущений от данного объекта (второй информационный уровень) в целостный, единый первичный образ. Этот процесс называется восприятием.

Наличие памяти подымает информационные процессы на еще более высокий уровень.

-Различают:

- двигательную память (запоминание движений человека);

-эмоциональную память (запоминание событий, связанных с переживаниями);

-образную память;

-словесно-логическую память (запоминание мыслей, текстов, речей).

Для руководителя, лица принимающего решения (J111P), основными являются образная и словесно-логическая память. По длительности хранения информации различают:

-непосредственную память;

-оперативную память;

-длительную память.

Непосредственная  память хранит доли секунд всю поступившую информацию в полном объеме. Ненужная для очередного действия информация затем стирается, а остальная направляется в оперативную память, где сохраняется до полного использования. Если содержание оперативной памяти может быть когда-нибудь полезной, то оно переходит в долговременную память, где может храниться годами. В противном случае она стирается.

-Запоминанию способствуют рациональная (логическая) группировка материала, укрупнение информационных единиц, нахождение в предъявляемом материале избыточной информации, перекодирование предъявляемых символов в более легкие для запоминания образы.

-Забыванию способствует редкое использование находящейся в памяти информации, наложение новой информации на старую, ассоциация содержания памяти с отрицательными переживаниями.

При наличии  развитой памяти из ее долговременной части можно извлечь воспринятые ранее образы. В этом случае они называются вторичными. Сопоставляя знакомые вторичные образы с текущими первичными, человек получает возможность распознавать смысл образов, ситуаций.

-Вторичные образы, обладая всеми свойствами первичных, отличаются большей абстрактностью, обобщенностью, фрагментарностью и неустойчивостью. Вторичные образы могут управляться и преобразовываться речевой, т.е. мыслительной системой. Таким путем могут создаваться в сознании образы объектов с новыми прогрессивными свойствами. Воображение является основой любого творческого процесса, планирования будущей деятельности. При проектировании информационного обеспечения операторов в зависимости от конкретной ситуации, могут быть задействованы различные анализаторы человека.

В одних случаях, когда нет надобности в дистанционном  управлении объектом или состояния объекта и предмета труда вполне определяются путем прямого их восприятия, можно обходиться без специального информационного обеспечения оператора. В этом случае он воспринимает информацию в естественных образах (рис. 4.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.1. Эргатическая система  непосредственного восприятия

В таких системах человек-оператор (Ч-О) может непосредственно  контролировать положения органов  управления (ОУ), состояния машины (М) и предмета труда (ПТ).

-Зрительный анализатор. Он позволяет дистанционно воспринимать полезную информацию, включая точную, количественную. Однако именно это свойство способствует возникновению между наблюдателем и объектом различных помех визуального свойства. Этот анализатор позволяет различать яркость, контраст, цвет, а также пространственно-временные параметры объектов. Острота зрения позволяет наблюдать за мелкими предметами. Важно знать, что некоторые цвета вызывают у человека определенные эмоции [13].

-Зрительный анализатор имеет определенные зоны поля зрения. Острота зрения уменьшается при увеличении угла наблюдения, отсчитываемого от неподвижной оси глаза. В настоящее время этот анализатор доставляет оператору в среднем до 90% полезной информации.

-Слуховой анализатор. Известно, что опытные операторы по звукам, сопровождающим работу машины, судят о ее режимах. Часто слуховой анализатор несет специально организованную полезную информацию или используется для обмена речевой информацией.

-Слуховой анализатор является также органом дистанционного характера, что способствует включению помех акустического характера в канал на пути от источника звука к его потребителю. Звуковые сигналы всегда используются как аварийные и часто - для привлечения внимания оператора к показаниям какого-либо прибора и для четкого суждения о производимых переключения. Несмотря на дистанционный характер звукового канала, в нем, в отличие от зрительного анализатора, восприятие информации осуществляется не одномоментно. Она последовательно развертывается во времени на что должен планироваться определенный временной интервал. Слуховой анализатор фиксирует громкость звука, величину давления звуковой волны на барабанную перепонку, высоту сигнала по его частоте и тембр, определяемый формой звуковой волны.