Обратная связь и управление для всех (4000,00 руб.)

Стр.5

Стр.6

Стр.7

Стр.8

Стр.9

Стр.10

Стр.11

УДК 004 ББК 32.973 А45 Педро Альбертос, Ивен Мариэлс А45 Обратная связь и управление для всех / пер. с англ. Ю. В. Ревича. – М.: ДМК Пресс, 2023. – 354 с.: ил. ISBN 978-5-93700-235-8 В книге на ряде примеров продемонстрирована важность обратной связи для систем управления; показано, что такое сигнал и как он обрабатывается, представлены основные идеи и инструменты, используемые при работе с системами и их моделями, рассматриваются современные аппаратные средства и варианты программного обеспечения, доступные для реализации системы управления. Издание предназначено для тех, кто интересуется системами и техниками управления, но не является специалистом в данной области. УДК 004 ББК 32.973 Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. ISBN (анг.) 978-3-64203-445-9 ISBN (рус.) 978-5-93700-235-8 © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010 © Оформление, издание, перевод, ДМК Пресс, 2023

Стр.5

Оглавление Предисловие от издательства ..............................................................................11 Предисловие ..........................................................................................................12 Как и где была написана эта книга..................................................................13 Что ожидать от книги .......................................................................................13 Как читать эту книгу.........................................................................................14 Глава 1. Введение .............................................................................. 19 1.1. Обратная связь ...........................................................................................20 1.2. Блок-схемы, системы, входы и выходы ....................................................21 1.3. Еще о блок-схемах ......................................................................................25 1.3.1. Запись музыки.....................................................................................25 1.3.2. Соединенные резервуары для воды ..................................................27 1.3.3. Выводы ................................................................................................28 1.4. Обратная связь и динамика ......................................................................30 1.4.1. Обратная связь в душе ........................................................................30 1.4.2. Акустическая обратная связь .............................................................31 1.4.3. Контроль уровня воды в паровом котле ............................................31 1.4.5. Производство и роботы ......................................................................32 1.4.6. Разработка и синтез обратной связи .................................................33 1.5. Системы, причинно-следственная связь, стационарность и линейность .....................................................................................................34 1.6. Модели ........................................................................................................37 1.6.1. Моделирование ...................................................................................38 1.6.2. Объединение систем ...........................................................................39 1.7. Базовый контур управления ......................................................................40 1.8. Построение схемы управления .................................................................42 1.9. Заключительные замечания .....................................................................43 1.10. Дополнительное чтение и обсуждение ..................................................44 Глава 2. Аналогии .............................................................................. 47 2.1. Введение и обоснование ...........................................................................47 2.2. Сигналы и их графическое представление ..............................................48 2.3. Сигналы и аналогии ...............................................................................53 2.4. Примеры систем ........................................................................................55 2.4.1. Разогрев духовки .................................................................................55 2.4.2. Заполнение кухонной раковины .......................................................57 2.4.3. Зарядка конденсатора ........................................................................57 2.4.4. Компьютерный алгоритм ...................................................................58 2.6. Дискретное или непрерывное время? ......................................................61

Стр.6

6  Оглавление 2.7. Системы-аналоги .......................................................................................62 2.8. Объединение систем и разделение распределенных систем .................64 2.9. Колебания ...................................................................................................65 2.9.1. Обмен энергией ..................................................................................65 2.9.2. Системный взгляд ...............................................................................66 2.10. Дополнительное чтение и обсуждение ..................................................67 Глава 3. Наглядно про обратную связь и управление ................ 69 3.1. Введение и обоснование ...........................................................................69 3.2. Производство керамической плитки .......................................................70 3.3. Системы самотечного орошения ..............................................................75 3.4. Конструкция сервопривода радиоастрономической антенны ...............83 3.5. Простые автоматы .....................................................................................90 3.6. Гомеостаз ....................................................................................................91 3.7. Социальные системы .................................................................................97 3.7.1. Простые структуры управления .......................................................100 3.7.2. Другие подходы к управлению .........................................................103 3.8. Дополнительное чтение и обсуждение ..................................................105 Глава 4. Анализ сигналов ............................................................... 107 4.1. Введение и обоснование .........................................................................107 4.2. Сигналы и классы сигналов .....................................................................108 4.2.1. Сигналы, определенные с помощью математических алгоритмов ..................................................................................................109 4.2.2. Периодические сигналы ...................................................................116 4.2.3. Стохастические (случайные) сигналы .............................................119 4.2.4. Хаотические сигналы........................................................................121 4.3. Преобразование сигналов .......................................................................122 4.4. Измерение сигнала ..................................................................................123 4.4.1. Величина сигнала ..............................................................................124 4.4.2. Дискретизация сигнала ....................................................................125 4.4.3 Выборка периодических сигналов: проблема сглаживания ...............................................................................126 4.5. Обработка сигналов .................................................................................128 4.6. Запись и воспроизведение ......................................................................130 4.6.1. Запись и воспроизведение речи ......................................................132 4.7. Дополнительное чтение и обсуждение ...................................................135 Глава 5. Системы и модели ............................................................ 137 5.1. Введение и обоснование .........................................................................137 5.2. Системы и их модели ...............................................................................138 5.2.1. От сигнала к модели системы ..........................................................139 5.2.2. От системы к модели ........................................................................141 5.2.3. Классы моделей .................................................................................142 5.3. Объединение систем ................................................................................145 5.4. Упрощающие допущения ........................................................................146 5.5. Некоторые базовые системы...................................................................149

Стр.7

Оглавление  7 5.5.1. Линейный коэффициент усиления ..................................................149 5.5.2. Транспортная задержка ....................................................................151 5.5.3. Интегратор ........................................................................................152 5.5.4. Интегратор в контуре обратной связи ............................................155 5.6. Линейные системы ..................................................................................155 5.6.1. Линейные операторы .......................................................................156 5.6.2. Расчет блок-схем для линейных систем ..........................................158 5.7. Системный анализ ...................................................................................160 5.7.1. Время отклика ...................................................................................161 5.7.2. Частотная область ..............................................................................162 5.7.3. Каскадно подключенные системы ...................................................165 5.7.4. Последовательные интеграторы с обратной связью ......................165 5.8. Синтез линейных систем.........................................................................167 5.9. Описание пространства состояний линейных систем ..........................169 5.10. Несколько слов о системах дискретного времени ...............................171 5.11. Нелинейные модели ..............................................................................172 5.12. Дополнительное чтение и обсуждение ................................................174 Глава 6. Устойчивость, чувствительность и робастность ..........176 6.1. Введение и обоснование .........................................................................176 6.2. Некоторые примеры ................................................................................177 6.3. Устойчивость автономных систем ..........................................................180 6.4. Линейные автономные системы ............................................................182 6.4.1. Общие линейные автономные системы в дискретном времени ...............................................................................184 6.4.2. Непрерывное время, линейная система ..........................................185 6.4.3. Изучение устойчивости ....................................................................186 6.5. Нелинейные системы: устойчивость по Ляпунову ................................190 6.5.1. Первый метод Ляпунова ...................................................................191 6.5.2. Энергия и устойчивость: второй метод Ляпунова ..........................191 6.6. Неавтономные системы ..........................................................................194 6.6.1. Линейные системы ...........................................................................194 6.6.2. Нелинейные системы .......................................................................195 6.6.3. Устойчивость вход–состояние при каскадном соединении ..........198 6.7. За пределами равновесия ........................................................................199 6.7.1. Предельные циклы и хаос .................................................................199 6.8. Чувствительность .....................................................................................201 6.8.1. Робастность .......................................................................................203 6.8.2. Вычисление чувствительности ........................................................204 6.8.3. Общий подход ...................................................................................205 6.8.4. Чувствительность к изменениям динамики системы ....................206 6.8.5. Измерения чувствительности ..........................................................206 6.9. Дополнительное чтение и обсуждение ..................................................207 Глава 7. Обратная связь ..................................................................209 7.1. Введение и обоснование ..........................................................................209 7.2. Внутренняя обратная связь .....................................................................211

Стр.8

8  Оглавление 7.3. Обратная связь и неопределенности моделей .......................................213 7.4. Стабилизация и регулирование системы ...............................................215 7.4.1. ISS и системы обратной связи ..........................................................217 7.4.2. Линейные системы с обратной связью ............................................219 7.4.3. Критерий устойчивости Найквиста .................................................221 7.4.4. Интегратор с задержкой и отрицательной обратной связью ........223 7.5. Устранение влияния помех ......................................................................223 7.5.1. Обратная связь по шуму ...................................................................224 7.6. Управление с двумя степенями свободы ................................................226 7.7. Проектирование обратной связи ............................................................227 7.8. Обсуждение...........................................................................................229 7.9. Дополнительное чтение и обсуждение ...................................................230 Глава 8. Подсистема управления ..................................................232 8.1. Введение и обоснование .........................................................................232 8.2. Информационный поток .........................................................................236 8.3. Цели управления ......................................................................................237 8.4. Разомкнутый контур................................................................................241 8.5. Замкнутый контур ...................................................................................245 8.6. Другие структуры управления ................................................................247 8.6.1. Управление 2DoF ...............................................................................247 8.6.2. Каскадное управление ......................................................................248 8.6.3. Выборочный контроль ......................................................................249 8.6.4. Системы обратного отклика ............................................................250 8.7. Распределенное и иерархическое управление ......................................252 8.8. Совместное проектирование процессов и систем управления ............254 8.8.1 Управление с масштабированием процесса ...................................255 8.8.2. Перепроектирование процесса ........................................................256 8.9. Дополнительное чтение и обсуждение ..................................................257 Глава 9. Компоненты подсистем управления.............................258 9.1. Введение и обоснование .........................................................................258 9.2. Датчики и системы сбора данных ..........................................................261 9.2.1. Измерительные преобразователи ...................................................264 9.2.2. Программные датчики .....................................................................266 9.2.3. Коммуникация и создание сетей .....................................................267 9.2.4. Сети датчиков и исполнительных устройств ..................................268 9.3. Контроллер ...............................................................................................269 9.3.1. Автоматы и программируемые логические контроллеры (ПЛК) ..269 9.3.2. Релейное управление .......................................................................270 9.3.3. Непрерывное регулирование: ПИД .................................................271 9.4. Контроллеры на компьютерной основе .................................................273 9.5. Исполнительные устройства ...................................................................275 9.5.1. «Умные» исполнительные устройства .............................................278 9.5.2. Спаренные исполнительные устройства.........................................278 9.6. Дополнительное чтение и обсуждение ..................................................279

Стр.9

Оглавление  9 Глава 10. Проектирование управления .......................................281 10.1. Введение и обоснование ........................................................................281 10.2. Разработка системы управления ..........................................................285 10.3. Местное управление ..............................................................................288 10.3.1. Логическое управление на основе событий ..................................288 10.3.2. Следящее регулирование................................................................291 10.3.3. Взаимодействие ..............................................................................296 10.4. Адаптация и обучение ...........................................................................298 10.4.1. MRAS: MIT-правило ........................................................................299 10.4.2. Самонастройка ................................................................................300 10.4.3. Планирование усиления .................................................................300 10.4.4. Обучаемые системы ........................................................................303 10.5. Надзор .....................................................................................................304 10.6. Оптимизация ..........................................................................................306 10.6.1. Управление головкой чтения/записи жесткого диска ..................307 10.6.2. Модель прогнозирующего управления .........................................308 10.7. Общие замечания ...................................................................................309 10.8. Дополнительное чтение и обсуждение ................................................310 Глава 11. Польза управления ........................................................312 11.1. Введение .................................................................................................312 11.2. Медицинские приложения ....................................................................313 11.3. Домашняя автоматизация .....................................................................315 11.4. Промышленные приложения ................................................................316 11.4.1. Безопасность и надежность ............................................................317 11.4.2. Энергетическая, материальная или экономическая эффективность ............................................................................................318 11.4.3. Устойчивость ...................................................................................319 11.4.4. Более эффективное использование инфраструктуры .........................................................................................320 11.4.5. Допустимое поведение ...................................................................321 11.4.6. Некоторые области применения ...................................................322 11.5. Социальные риски .................................................................................323 11.6. Дополнительное чтение и обсуждение ................................................324 Глава 12. Взгляд в будущее ...........................................................326 12.1. Введение .................................................................................................326 12.2. От аналоговых контроллеров к распределенному и сетевому управлению ..................................................................................327 12.2.1. Встроенные системы управления ..................................................328 12.2.2. Сетевые системы управления ........................................................330 12.2.3. Киберфизические системы ............................................................331 12.3. От автоматических манипуляторов к человекоподобным роботам ...........................................................................................................333 12.3.1. Вызов гуманоидов ...........................................................................334 12.3.2. Системы «ведущий–ведомый» ......................................................335

Стр.10

10  Оглавление 12.4. Искусственный интеллект в управлении .............................................335 12.4.1. Интеллектуальная окружающая среда ..........................................337 12.4.2. Агенты ..............................................................................................338 12.5. Системы и биология ..............................................................................340 12.5.1. Моделирование биосистем.............................................................340 12.5.2. Биомиметика ...................................................................................341 12.5.3. Бионика ............................................................................................341 12.5.4. Биокомпонентные системы ...........................................................342 12.5.5. Белок и наноразмерная биохимическая инженерия ....................342 12.6. Дополнительное чтение и обсуждение ................................................343 Литература ..........................................................................................................345 Предметный указатель .......................................................................................353

Стр.11