13.4 Бесконечная степень устойчивости. Регуляторы Резвика, Смита Раздел 14. Адаптивные системы

14.1 Классификация адаптивных систем. Системы экспериментального регулирования (сэр). Сэр с запоминанием экстремума, градиентные сэр

Адаптивными (или самоприспособляющимися) называют такие системы управления, которые в условиях непредвиденного изменения свойств управляемого объекта, внешних воздействий или цели управления автоматически изменяют структуру или параметры своего управляющего устройства, обеспечивая при этом необходимое качество управления. Для осуществления адаптации (автоматического изменения алгоритма управления) эти системы содержат дополнительное управляющее устройство — устройство адаптации, которое по результатам измерений сигналов в главном контуре управления выявляет изменения свойств внешних воздействий и объекта и производит необходимые изменения в управляющем устройстве.

Показатель качества, по которому осуществляется адаптация, может характеризовать либо работу управляемого объекта, либо функционирование системы в целом.

Необходимость применения адаптивных систем управления возникает в случаях, когда условия функционирования и свойства управляемого объекта изменяются в широких пределах и по заранее неизвестным законам. Объектами с переменными свойствами и условиями функционирования могут быть, например, шахтные подъемные установки, добычные механизмы, шаровые мельницы. В шахтной подъемной установке от цикла к циклу может изменяться масса скипа с рудой, у добычного механизма затупляются режущие элементы исполнительного органа, в шаровой мельнице постепенно уменьшается масса мелющих шаров. Как следствие, для этих объектов изменяются передаточный коэффициент и постоянные времени.

Объекты, для которых изменяются собственные параметры и параметры внешних воздействий, называются объектами с неполной информацией.

Неполнота информации об объекте создает неопределенность в постановке задачи управления, и обычные принципы построения системы управления оказываются непригодными или малоэффективными. Систему приходится строить таким образом, чтобы она в процессе управления сама (автоматически) получала и использовала для выработки управляющих воздействий недостающую информацию.

Управление, во время которого происходит изучение характеристик объекта, называется дуальным.

Дуальность управления является специфической особенностью адаптивных систем. От обычных систем они отличаются также более сложной структурой, возможностью переключений в контуре управления, наличием логического и запоминающего устройств, использованием поисковых воздействий.

Рассмотрим обобщенную функциональную схему адаптивной системы управления (рис. 14.1.1). Главный контур системы образован управляемым объектом УО и основным управляющим устройством УУ₀. Дополнительное управляющее устройство УУ_Д вместе с У О и УУ₀ образует контур адаптации.

Рис 14.1.1. Обобщенная функциональная схема адаптивной системы управления

Устройство УУ_Д состоит из анализатора объекта АО, анализатора внешних воздействий АВ, логического устройства ЛУ и исполнительного устройства ИУ. Логическое устройство вычисляет текущее значение показателя качества и вырабатывает необходимые корректирующие воздействия у_д.

Для изучения характеристик объекта и установления его текущего состояния устройство адаптации создает специальные поисковые воздействия х„.

Устройство адаптации действует, как правило, в более медлен­ном темпе, чем основной контур управления.

Анализаторы АО и АВ и логическое устройство ЛУ представляют собой вычислительные блоки. В некоторых случаях устройство адаптации содержит эталонную модель объекта или всей системы, реализованную также в виде некоторого вычислительного блока. Модель используется для обнаружения отклонений характе­ристик системы. При этом упрощается структура логического устройства.

Строгая классификация адаптивных систем еще не разработана, поэтому ниже указаны лишь наиболее важные признаки классификации.

Классификация систем автоматического управления

По характеру изменений, производимых в основном управляющем устройстве устройством адаптации, адаптивные системы подразделяются на самонастраивающиеся и самоорганизующиеся.

В самонастраивающихся системах адаптация осуществляется изменением параметров управляющего устройства или управляющего воздействия, а в самоорганизующихся системах адаптация достигается изменением структуры управляющего устройства.

В соответствии с такой классификацией адаптивных систем корректирующие воздействия можно разделить на параметрические и структурные.

По характеру функций, выполняемых устройством адаптации, адаптивные системы подразделяются на системы со стабилизацией качества управления и системы с оптимизацией качества управления. Назначение первых — поддержание показателя качества на заданном уровне, вторых — поиск и поддержание экстремального значения показателя качества.

Адаптивные системы, обеспечивающие в процессе функционирования экстремизацию показателя качества, называются системами оптимизации. В них задача синтеза оптимального управляющего устройства решается автоматически и непрерывно, в то время как в обычных (неадаптивных) системах оптимального управления эта задача решается однократно — при конструировании или при настройке системы.

Стабилизируемые и оптимизируемые показатели качества могут характеризовать либо динамический, либо статический режим объекта или главного контура. Стабилизируют, например, такие характеристики динамического режима системы, как колебательность, частотная характеристика, импульсная переходная функция. Необходимость в их стабилизации возникает при существенных изменениях параметров объекта (передаточного коэффициента, постоянных времени, времени запаздывания).

Оптимизировать целесообразно также такие показатели, как длительность переходного процесса в системе, дисперсия сигнала ошибки. Длительность переходного процесса значительно отклоняется от минимально возможного значения при изменениях указанных параметров объекта. Минимально достижимое значение дисперсии зависит от спектральных характеристик внешних воздействий. Если эти воздействия нестационарны, и их характеристики существенно изменяются, то необходимо непрерывно или периодически изменять соответствующим образом параметры уп­равляющего устройства.

В зависимости от используемого способа получения информации о параметрах объекта различают поисковые и беспоисковые адаптивные системы. В поисковой системе условия экстремума показателя качества находятся с помощью пробных поисковых воздействий на объект и оценки результатов этих воздействий. В беспоиско­вой (или аналитической) системе параметры управляющего устройства, обеспечивающие наилучшие показатели качества, определяются для конкретных условий функционирования системы аналитически—расчетным путем.

Адаптивные системы, способные в процессе работы совершенствовать свой алгоритм функционирования и тем самым улучшать качество управления, называются самообучающимися. Такие системы имеют второй контур адаптации, который анализирует и корректирует работу первого контура адаптации. Причем, второй контур, накапливая информацию о функционировании первого контура, действует значительно медленнее.

Самообучающиеся системы обладают наиболее высокими способностями адаптации и по своим возможностям приближаются к живым организмам.

Наибольшее распространение в промышленной автоматике получили самонастраивающиеся системы с оптимизацией какого-либо показателя статического режима объекта. Такие системы называются экстремальными системами управления.