CC BY
38
УДК 639.2.081.1
О. В. Григорьев Астраханский государственный технический университет
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЛОВОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ СВЕТА
Основное назначение систем управления ловом с применением света сводится к управлению объектом лова.
Целью управления является создание условий, обеспечивающих необходимое поведение и распределение объекта лова из возможного набора показателей поведения и распределения. В математической интерпретации управление сводится к обеспечению расчетных значений выходных переменных (переменных состояния) при различных колебаниях внешних воздействий на объект управления и свойств управляющей системы.
Связь между выходом и входом двух разных элементов системы управления ловом называют прямой, а связь между выходом и входом одного и того же элемента - обратной. Такая связь возможна или непосредственно, или через другие элементы. В системах управления обратную связь используют как канал, по которому в орган управления поступает информация о состоянии объекта управления. Обратная связь способствует эффективному управлению при изменяющихся условиях работы системы и когда возмущающие воздействия не измеряют и их влияние заранее неизвестно.
В системах управления ловом показатели объекта управления обычно изменяются в широких пределах, и возможно несколько вариантов управления. Из них выбирают вариант с максимальной эффективностью управления. Для того чтобы сопоставить результаты управления различными способами, принимают критерий качества, а при единой количественной оценке затрат и результатов - критерий оптимальности.
Выбор критерия качества зависит от назначения системы, цели и условий ее функционирования. Обычно его задают в виде целевых функций или функционала входных (выходных) переменных и параметров объекта управления. Такими критериями в системах управления ловом служат уловистость, производительность лова, состав улова, состояние рыбы.
Каждому варианту управления могут соответствовать свои целевые функции и функционалы как критерии качества, и задача управления обычно заключается в выборе и реализации такого варианта управления, при котором наиболее значимый критерий качества принимает наилучшее значение в конкретных условиях функционирования системы.
При выборе критерия качества учитывают, что в системах управления ловом возможно экстремальное и оптимальное управление. В экстремальных системах определенному значению входных переменных, например внешних воздействий на рыбу, соответствует определенное значение
критерия качества управления. При этом путем изменения регулирующих воздействий поддерживают экстремальное значение критерия качества. Процесс лова обычно состоит из нескольких операций, и наилучшие результаты в общем случае получают не при экстремальном, а при оптимальном управлении, добиваясь высокого качества управления при выполнении не одной, а всех операций лова. Если эффективность всего процесса зависит в основном от качества управления одной операцией, то оптимальное управление заменяют экстремальным.
На управление обычно наложены ограничения, в соответствии с которыми параметры и переменные объекта управления и управляющие воздействия могут изменяться в ограниченных пределах. Ограничения накладывают также на быстродействие системы, объем используемой информации, сложность и время ее обработки, характеристики условий внешней среды в водоемах и т. д.
В общем случае под оптимальным управлением понимают такое управление, при котором получают наилучшее значение целевой функции или функционала при выполнении наложенных на систему ограничений.
В системах управления ловом взаимодействуют гидробионты, водная среда, технические и другие средства воздействия на гидробионтов и водную среду, которые в общем случае являются тремя подсистемами рыбохозяйственной системы. В промысловых системах управляющая подсистема состоит из орудия лова и других технических средств добычи рыбы, а управляемой подсистемой является объект лова.
Управляющую и управляемую подсистемы, в свою очередь, можно рассматривать как самостоятельные системы, часто построенные по иерархическому (многоуровневому) признаку. Так, управляющая подсистема системы управления ловом может включать в себя самостоятельные системы управления орудием лова, промысловым судном, средствами механизации и автоматизации, управляющую вычислительную машину и т. д. с взаимосвязью по многоуровневому признаку. Управляемую биологическую подсистему часто рассматривают как состоящую из гидробионтов различного вида, возраста, пола, состояния и т. д.
При анализе, проектировании и эксплуатации систем чаще имеют дело с зависимостями между входами элемента и его выходами (а не состояниями, с которыми выходы связаны функционально). В связи с этим элемент системы в общем случае рассматривают как преобразователь входов в выходы. Если входы элемента однозначно определяют его выходы, то элемент считают детерминированным, в противном случае - вероятностным или индетерминированным.
Важно учитывать, что при системном подходе происходит не простое объединение элементов, а установление возможно большего числа внутренних связей в системе, объединение элементов и подсистем на основе построения единой модели системы.
Системы управления ловом с применением света можно классифицировать по многим признакам. Наибольшее значение имеет деление систем по характеру изменения регулируемых показателей и принципу действия.
По первому признаку различают системы стабилизации, программные и следящие.
По принципу действия наиболее простыми являются разомкнутые системы управления, в которых управляющие воздействия задают без учета действительного поведения, положения, состояния и других показателей гидробионтов. При этом управляющие воздействия выбирают, принимая во внимание цели управления, известные условия внешней среды и априорные данные о реакции гидробионтов на раздражители. В разомкнутых системах управления управляющие воздействия могут быть постоянными и переменными во времени. Разомкнутые системы управления наименее эффективны.
В замкнутых системах, получив информацию о появлении ошибки управления, система изменяет свое воздействие на объект управления для уменьшения ошибки до допустимых пределов, т. е. замкнутые системы работают по принципу обратной связи. Такая система воспринимает, хранит, накапливает и преобразовывает информацию, а также использует ее для улучшения управляющего воздействия на объект управления.
В замкнутых системах, где управляющее воздействие непосредственно зависит от управляемой величины, используют несколько принципов управления - по отклонению, программное управление по отклонению, принцип самонастройки.
Различные виды управления по принципу обратной связи можно совмещать с управлением в незамкнутых системах. С помощью последних систем осуществляют черновое управление объектом, а управление с обратной связью служит для более тонкого управления. Комбинированные системы обладают большей точностью и надежностью управления, чем системы, работающие на одном принципе. При этом в значительной степени устраняются недостатки обоих принципов управления.
Объекты лова как элементы системы управления ловом с применением света имеют ряд особенностей:
— они являются совокупностью рыб, внешние воздействия на которых в общем случае неодинаковы, переменны в пространстве и времени и часто случайны;
— реакция рыб на внешние воздействия во многом зависит от их внутреннего состояния, условий внешней среды, биотических связей в водоемах, а следовательно, внешние воздействия и реакция на них связаны случайным образом;
— внешние факторы оказывают на рыбу энергетическое и информационное воздействие, причем при последних воздействиях случайный характер реакции особенно вероятен;
— не всегда известен механизм влияния физических полей и других внешних воздействий на рыбу, что затрудняет выбор входных величин при управлении рыбой;
— внешние воздействия часто влияют одновременно на несколько органов восприятия, а рыба, как биологическая система, выполняет
несколько функций. В этом случае сложно расчленить функционально рыбу на части и рассматривать их изолированно. Характер реакции рыбы на внешние воздействия иногда зависит не только от интенсивности воздействий, но и от скорости их изменения в пространстве и времени, неравномерности углового распределения воздействий и т. д.;
— рыба в системах управления ловом часто перемещается, что затрудняет оценку влияния на нее управляющих и не управляющих внешних воздействий;
— гидробионты, как сложная биологическая система, в общем отличаются нелинейностью и могут выступать как усилительное (пропорциональное) звено, звено с запаздыванием, апериодическое, инерционное, интегрирующее или дифференцирующее звено, а также как сочетание звеньев различного типа.
Внешнюю среду при лове рыбы рассматривают как поле управления, а иногда и как управляемый элемент. В первом случае она выступает как источник внешних воздействий или как канал для передачи внешних воздействий от различных источников рыбе. Во втором случае различные внешние воздействия направлены на изменение характеристик внешней среды (выходных характеристик) с целью улучшения в некотором смысле этих характеристик.
В общем случае управляющее устройство системы управления ловом включает в себя:
— исполнительные устройства для непосредственного управления процессом; измерительные устройства для получения данных о показателях процесса;
— устройства сравнения данных о действительных и необходимых показателях процесса;
— усилители, которые результаты рассогласования между действительными и необходимыми показателями процесса подают на исполнительное устройство с целью изменения его параметров, положения, ориентации и т. д.
Рассмотренная характеристика систем управления ловом с применением света позволяет не только повысить эффективность лова путем оптимизации составляющих системы управления ловом, но и разрабатывать автоматизированные системы, способные регулировать параметры орудий лова и рыбы непосредственно в процессе лова.
Как следует из сущности автоматизированного регулирования, оно пригодно в основном для управления различными физическими процессами лова, например управления параметрами и положением орудий лова, водной среды, средств механизации лова и т. д.
Так, известны автоматизированные системы управления ловом каспийской кильки, которые, на основе контроля поступления рыбы в залавливающее устройство, автоматически регулируют режим опускания и подъема залавливающего устройства.
С появлением ЭВМ получает распространение машинное управление процессами, которое устраняет многие недостатки автоматизированного управления.
Быстродействие систем управления с помощью ЭВМ позволяет использовать для этой цели достаточно сложные математические модели процесса и управлять одновременно многими элементарными процессами. Способность к накоплению данных о процессе в сочетании с быстродействием обеспечивает экономичную и эффективную регистрацию и обработку данных. Заранее определенная программой логика, вводимая в ЭВМ, освобождает оператора от обязанности постоянно следить, не выходят ли переменные процесса за установленные пределы, выполнять необходимые предписания, диагностировать процесс. Все это обеспечивает согласованность, быстроту и надежность работы, освобождает оператора во многих случаях от принятия решений.
При управлении процессами лова с использованием ЭВМ существенно расширяется область применения автоматизированного и автоматического управления, которое распространяется в некоторых случаях на биологические процессы управления. Более того, машинное управление станет основным способом управления в сложных рыбохозяйственных системах.
Такая система предложена нами для управления ловом каспийской кильки рыбонасосными установками и конусными подхватами с использованием математических моделей лова этими орудиями.
Получено 1.03.2006
GENERAL CHARACTERISTIC OF MANAGEMENT SYSTEMS OF TORCHING
O. V. Grigoriev
The aim of management systems of torching is optimisation of output parameters of the system (first of all catching productivity) at various oscillations of indices of catching object and environmental conditions in the reservoir. The article shows that in different conditions of system’s functioning it is necessary to apply different criteria of system management and quality. Classification of management systems of torching is considered taking into account operation principle (open, closed), character of regulating of stabilization system (programming, control), correlation between input and output system parameters (determined, stochastic and non-stochastic systems). Peculiarities of catching means, catching object and environmental conditions are described as elements of torching management systems and these peculiarities’ influence on fishery efficiency. Application of management systems of torching is shown to be the most promising on the bases of mathematical modelling of catching processes and IBM usage.
