Устройства

В информационных моделях разомкнутых систем управления. Конспект урока на тему «Информационные модели управления объектами

Целенаправленное изменение поведения объекта во времени может осуществляться по разомкнутому и замкнутому циклам .

Система управления – это соединение отдельных элементов в определённую конфигурацию, обеспечивающую заданные характеристики. В основе её анализа лежит теория линейных систем, предполагающая наличие причинно-следственных связей между элементами. Процесс или объект управления может быть представлен в виде блока

Связь между входом и выходом - это преобразование одного сигнала (причины) в другой (следствие).

Система, в которой выходной сигнал не подаётся на управляющее устройство, называется разомкнутой.

В разомкнутой системе управления для получения желаемой реакции ОУ обычно используется исполнительное устройство (рис.1.1).

Рис.1.1 Разомкнутая система управления (без обратной связи)

Примером может служить разомкнутая система управления скоростью вращения диска, представленная на рис. 1.2. Во многих современных приборах используется диск, который должен вращаться с постоянной скоростью. В этой системе для задания напряжения, пропорционального желаемой скорости, использована батарея, затем это напряжение усиливается и подаётся на электродвигатель. Электродвигатель постоянного тока, скорость которого пропорционально приложенному напряжению, обеспечивает вращение диска.

Рис. 1.2 Разомкнутая система управления скоростью вращения диска

Система, в которой происходит измерение выходной переменной и сравнение её с заданным значением, называется замкнутой.

Измеренное значение выхода называют сигналом обратной связи .

Простейшая замкнутая система изображена на рис 1.3.

Рис.1.3 Замкнутая система управления (с обратной связью)

В замкнутой системе вычисляется разность (ошибка) между желаемым значением выходной переменной и её измеренным действительным значением.

На рис. 1.4 представлена замкнутая система управления скоростью вращения диска.

Рис. 1.4Замкнутая система управления скоростью вращения диска

В уже имеющуюся систему необходимо ввести датчик, измеряющий скорость вращения вала двигателя, и устройство для сравнения заданной скорости вращения диска и действительной. Для этих целей удобно использование тахогенератора, выходное напряжение которого пропорционально скорости вращения вала двигателя. Сигнал ошибки образуется как разность между входным напряжением и напряжением тахогенератора. Замкнутая система всегда стремиться свести ошибку к минимуму.

Структурная и функциональная схемы .

При изображении САУ используют структурные и функциональные схемы.

Общая функциональная схема определяет назначение элементов и последовательность их соединения между собой. При составлении функциональной схемы система разбивается на звенья, исходя из выполняемых функций (назначения).

Для получения структурной схемы систему разбивают на возможно простые звенья направленного действия (исходя из удобства математического описания).

Звено направленного действия – это звено, передающее воздействие только в одном направлении со входа на выход , т.е. изменение состояния этого звена не влияет на состояние предшествующего звена, работающего на его вход.

Структурная схема – это схема, где каждой математической операции преобразования сигнала соответствует определённое звено . Структурная схема состоит из прямоугольников, изображающих звенья системы, и стрелок, соединяющих входы и выходы, стрелками показываются также внешние воздействия, приложенные к звеньям. Каждому звену структурной схемы соответствует описывающее его уравнение или характеристика. Получение структурной схемы является конечной целью математического описания системы.

В общем случае одной функциональной схеме может соответствовать несколько различных структурных схем системы в зависимости от полноты математического описания.

При описании САУ можно выделить типовую функциональную схему.

Рис. 1.5 Типовая функциональная схема САУ: 1 – задающее устройство ; 2 , 5 – сравнивающие устройства ; 3 – преобразующее устройство ;4 , 8 – корректирующие устройства (регулятор ); 6 – усилительное устройство ; 7 – исполнительное устройство ; 9 – чувствительные или измерительные элементы ; 10 – элемент главной обратной связи ; 11 – объект управления ; f (t ) – помеха

Функциональное назначение каждого из элементов типовой схемы состоит в следующем. Задающее устройство (1) преобразует входное воздействие в сигнал x (t ), удобный для сравнения. Сравнивающее устройство (2) путем сравнения сигнала x(t ) и регулируемой величины y (t ) вырабатывает сигнал ошибки (t ). Преобразующее устройство (3,10) служит для преобразования одной физической величины в другую, более удобную для использования в процессе управления. Корректирующее устройство (4,8) обеспечивают заданные динамические свойства замкнутой системы. Усилительное устройство (6) обеспечивает усиление мощности сигнала ошибки и управления. Исполнительное устройство (7), предназначено для воздействия на управляющий орган. Чувствительные или измерительные элементы (датчики) (9) необходимы для измерения информационных сигналов.

Рассмотрим функциональные схемы разомкнутой и замкнутой системы управления скоростью вращения диска (рис.1.6 и 1.7)

Рис. 1.6 Функциональная схема разомкнутой СУ скоростью вращения диска

Рис. 1.7 Функциональная схема замкнутой СУ скоростью вращения диска

Цели:
образовательная: составить упрощенную математическую модель управления объектами.
воспитательная: формирование самостоятельности и ответственности при изучении нового материала;
развивающая: развить умение описывать модели управления, выделяя существенные различия моделирования.
Программно – дидактическое обеспечение урока: ПК, карточки с заданиями.
Ход урока

Орг. момент:

приветствие;
проверка присутствующих.

Актуализация прежних знаний:

Что такое модель?
Какие типы моделей вы знаете?

III. Изучение нового материала:
В процессе функционирования сложных систем (биологических, технических и т. д.), входящие в них объекты постоянно обмениваются информацией. Изменение сложных систем во времени имеет свои особенности. Так, для поддержания своей жизнедеятельности любой живой организм постоянно получает информацию из внешнего мира с помощью органов чувств, обрабатывает ее и управляет своим поведением (например, перемещаясь в пространстве, избегает опасности).
В повседневной жизни мы встречаемся с процессами управления очень часто:

пилот управляет самолетом, а помогает ему в этом автоматическое устройство — автопилот; директор и его заместители управляют производством, а учитель — обучением школьников; процессор обеспечивает синхронную работу всех узлов компьютера, каждым его внешним устройством руководит специальный контроллер; без дирижера большой оркестр не может согласованно исполнить музыкальное произведение, а хоккейная или баскетбольная команда обязательно имеет одного или нескольких тренеров, которые организуют подготовку спортсменов к соревнованиям.

Управление — это целенаправленное взаимодействие объектов, одни из которых являются управляющими, а другие — управляемыми. Модели, описывающие информационные процессы управления в сложных системах, называются Информационными моделями процессов управления.
В любом процессе управления всегда происходит взаимодействие двух объектов – управляющего и управляемого, которые соединены каналами прямой и обратной связи. По каналу прямой связи передаются управляющие сигналы, а по каналу обратной связи – информация о состоянии управляемого объекта.
Разомкнутые системы управления. Если в процессе управления не учитывается состояние управляемого объекта и обеспечивается управление только по прямому каналу (от управляющего объекта к управляемому), то такие системы управления называются разомкнутыми. Информационную модель разомкнутой системы управления можно наглядно представить с помощью следующей схемы:

Для демонстрации принципа работы разомкнутых систем управления разработаем компьютерную модель на языке программирования Visual Basic. Пусть управляемым объектом будет точка, которую управляющий объект (пользователь) должен переместить в центр мишени (круга). Прямое управление положением точки будем производить путем нажатия на кнопки, которые перемещают объект вверх, вниз, влево и вправо. Обратная связь будет отсутствовать.

Модель разомкнутой системы управления.
Поместить на форму графическое поле, по которому будет перемещаться точка, кнопку для вывода первоначального положения точки, четыре кнопки для управления движением точки и кнопку для вывода положения мишени.
Событийная процедура первоначального вывода точки должна включать задание масштаба и случайную генерацию координат точки: Dim bytX1, bytY1, bytX2, bytY2 As Byte Private Sub cmdP_Click() pic1.Scale (0, 20)-(20, 0) bytX1 = Int(Rnd 20) bytY1 = Int(Rnd 20) pic1.PSet (bytX1, bytY1), vbRed End Sub
Четыре событийные процедуры перемещения точки должны обеспечивать изменение координат точки. Для перемещения влево событийная процедура: Private Sub cmdL_Click() pic1.Scale (0, 20)-(20, 0) bytX1 = bytX1 — 1 End Sub
Событийная процедура вывода мишени и положения точки: Private Sub cmd2_Click() pic1.Scale (0, 20)-(20, 0) pic1.Circle (10, 10), 5 pic1.PSet (bytX1, bytY1), vbBlack End Sub
Щелкнуть по кнопке Упр. объект и перемещать его кнопками со стрелками. Щелкнуть по кнопке Результат. Отклонение точки от центра мишени, скорее всего, будет достаточно велико.

Замкнутые системы управления. В замкнутых системах управления управляющий объект по прямому каналу управления производит необходимые действия над объектом управления, а по каналу обратной связи получает информацию о его реальных параметрах. Это позволяет осуществлять управление с гораздо большей точностью.
Информационную модель замкнутой системы управления можно наглядно представить с помощью следующей схемы:

Для демонстрации принципа работы замкнутых систем управления разработаем компьютерную модель. Для осуществления обратной связи будем при каждом шаге рисовать новое положение точки, а также выводить значения координат точки в текстовые поля.

IV. Закрепление.

Выполнение проектов. Какие системы управления называются разомкнутыми? Какие системы управления называются замкнутыми? В чем разомкнутой системы управления от замкнутой?

VI. Итог урока.
VII. Дом. задание .
Прочитать конспект.

Помогите, пожалуйста, ответить на вопросы. Заранее благодарю. 1. Какие пары объектов не находятся в отношении "объект - модель"? А) компьютер - его фотография; Б) компьютер - его функциональная схема; В) компьютер - его процессор; Г) компьютер - его техническое описание. 2. Информационной моделью, которая имеет иерархическую структуру является... А) файловая система компьютера; Б) расписание уроков; В) таблица Менделеева; Г) программа телепередач. 3. Какая модель является статической (описывающей состояние объекта)? А) формула химического соединения; Б) формулы равноускоренного движения; В) формула химической реакции; Г) второй закон Ньютона. 4. Информационной моделью, которая имеет сетевую структуру является... А) файловая система компьютера; Б) таблица Менделеева; В) генеалогическое дерево семьи; Г) модель компьютерной сети Интернет. 5. Информационной (знаковой) моделью является … А) анатомический муляж; Б) макет здания; В) модель корабля; Г) химическая формула. 6. В информационных моделях разомкнутых систем управления отсутствует... А) управляющий объект; Б) управляемый объект; В) канал управления; Г) канал обратной связи. 7. Какие из приведенных ниже определений понятия «модель» верные? Отметить все правильные на ваш взгляд ответы. А) модель - это некое вспомогательное средство, объект, который в определенной ситуации заменяет другой объект; Б) модель - это новый объект, который отражает некоторые стороны изучаемого объекта или явления, существенные с точки зрения цели моделирования; В) модель - это физический или информационный аналог объекта, функционирование которого - по определенным парамет-рам - подобно функционированию реального объекта; Г) модель некоторого объекта - это другой объект (реальный, знаковый или воображаемый), отличный от исходного, он обладает существенными для целей моделирования свойствами и в рамках этих целей полностью заменяет исходный объект. 8. Вставьте в предложение наиболее точный термин из предложенного ниже списка. Если материальная модель объекта - это его физическое подобие, то информационная модель объекта - это его... А) описание; Б) точное воспроизведение; В) схематичное представление; Г) преобразование. 9. Какое из утверждений верно? А) информационные модели одного и того же объекта, пусть даже предназначенные для разных целей, должны быть во многом сходны; Б) информационные модели одного и того же объекта, предназначенные для разных целей, могут быть совершенно разными. 10. Может ли передаваться информация от человека к человеку и от поколения к поколению без использования моделей? А) нет, без моделей никогда не обойтись; Б) да, иногда, например, генетическая информация; В) да, чаще всего знания передаются без использования каких-либо моделей. 11. Верно ли, что моделирование представляет собой один из основных методов познания, способ существования знаний? А) нет; Б) да. 12. Какие из приведенных ниже моделей являются вероятностными? Выбрать три правильных ответа. А) прогноз погоды; Б) отчет о деятельности предприятия; В) схема функционирования устройства; Г) научная гипотеза; Д) оглавление книги; Е) план мероприятий, посвященных Дню Победы. 13. Правильно ли определен вид следующей модели: «Компьютерная модель полета мяча, брошенного вертикально вверх, - динамическая формализованная модель, имитирующая поведение данного объекта»? А) нет; Б) да

Контрольная работа по теме «Моделирование и формализация» (11 класс ИТП). Вариант – 1.

Фамилия_____________________________

. Какие пары объектов не находятся в отношении "объект - модель"?

А) компьютер - его фотография;

В) компьютер - его процессор;

Г) компьютер - его техническое описание.

2. Информационной моделью, которая имеет иерархическую структуру является...

Б) расписание уроков;

В) таблица Менделеева;

Г) программа телепередач.

3. Какая модель является статической (описывающей состояние объекта)?

Б) формулы равноускоренного движения;

Г) второй закон Ньютона.

4. Информационной моделью, которая имеет сетевую структуру является...

А) файловая система компьютера;

Б) таблица Менделеева;

Г) модель компьютерной сети Интернет.

5. Информационной (знаковой) моделью является …

А) анатомический муляж;

Б) макет здания;

В) модель корабля;

Г) химическая формула.

6. В информационных моделях разомкнутых систем управления отсутствует...

А) управляющий объект;

Б) управляемый объект;

В) канал управления;

Г) канал обратной связи.

7. Какие из приведенных ниже определений понятия «модель» верные? Отметить все правильные на ваш взгляд ответы.

А) модель - это некое вспомогательное средство, объект, который в определенной ситуации заменяет другой объект;

Б) модель - это новый объект, который отражает некоторые стороны изучаемого объекта или явления, существенные с точки зрения цели моделирования;

В) модель - это физический или информационный аналог объекта, функционирование которого - по определенным параметрам - подобно функционированию реального объекта;

Г) модель некоторого объекта - это другой объект (реальный, знаковый или воображаемый), отличный от исходного, он обладает существенными для целей моделирования свойствами и в рамках этих целей полностью заменяет исходный объект.

8. Вставьте в предложение наиболее точный термин из предложенного ниже списка.

Если материальная модель объекта - это его физическое подобие, то информационная модель объекта - это его...

А) описание;

Б) точное воспроизведение;

В) схематичное представление;

Г) преобразование.

9. Какое из утверждений верно?

А) информационные модели одного и того же объекта, пусть даже предназначенные для разных целей, должны быть во многом сходны;

Б) информационные модели одного и того же объекта, предназначенныедля разных целей, могут быть совершенно разными.

10. Может ли передаваться информация от человека к человеку и от поколения к поколению без использования моделей?

А) нет, без моделей никогда не обойтись;

Б) да, иногда, например, генетическая информация;

В) да, чаще всего знания передаются без использования каких-либо моделей.

11. Верно ли, что моделирование представляет собой один из основных методов познания, способ существования знаний?

А) нет; Б) да.

12. Какие из приведенных ниже моделей являются вероятностными? Выбрать три правильных ответа.

А) прогноз погоды;

Б) отчет о деятельности предприятия;

В) схема функционирования устройства;

Г) научная гипотеза;

Е) план мероприятий, посвященных Дню Победы.

13. Правильно ли определен вид следующей модели: «Компьютерная модель полета мяча, брошенного вертикально вверх, - динамическая формализованная модель, имитирующая поведение данного объекта»?

А) нет; Б) да.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13

А6-11

А6-13

А6-15

А6-17

А6-19

А6-21

А6-23

А6-25

А6-27

А6-29

Контрольная работа по теме «Моделирование и формализация» (11 класс ИТП). Вариант – 2.

Фамилия__________________________

1. Какие пары объектов находятся в отношении "объект - модель"?

А) компьютер – данные;

Б) компьютер - его функциональная схема;

В) компьютер – программа;

Г) компьютер – алгоритм.

2. Какая модель компьютера является формальной (полученной в результате формализации)?

А) техническое описание компьютера;

Б) фотография компьютера;

В) логическая схема компьютера;

Г) рисунок компьютера.

3. Информационной моделью, которая имеет табличную структуру является...

А) файловая система компьютера;

Б) таблица Менделеева;

В) генеалогическое дерево семьи;

Г) функциональная схема компьютера.

4. Какая модель является динамической (описывающей изменение состояния объекта)?

А) формула химического соединения;

Б) формула закона Ома;

В) формула химической реакции;

Г) закон Всемирного тяготения.

5. Формальной информационной моделью является...

А) анатомический муляж;

Б) техническое описание компьютера;

В) рисунок функциональной схемы компьютера;

Г) программа на языке программирования.

6. Компьютерный эксперимент может быть проведен, если информационная модель представлена в форме...

А) программы на языке программирования;

Б) изображения в растровом графическом редакторе;

В) изображения в векторном графическом редакторе;

Г) текста в текстовом редакторе.

7. Вставьте пропущенное слово, выбрав его из предложенного ниже списка.

Информационная модель - это целенаправленно отобранная информация об объекте, которая отражает наиболее существенные для исследователя... этого объекта.

А) информация;

Б) законы функционирования;

В) отличительные особенности;

Г) свойства.

8. Вставьте пропущенное слово, выбрав его из предложенного ниже списка.

Компьютерная модель - это... модель, выполненная с помощью компьютерных технологий.

А) информационная; Б) схематичная; В) электронная.

9. Могут ли у разных объектов быть одинаковыми модели?

Б) да, но только для конструктивных (искусственных, созданных людьми) объектов;

10. Построение любой модели начинается...

А) с выделения свойств и признаков объекта-оригинала;

Б) с определения цели моделирования;