Учебное пособие 800669

дит контур адаптации. В общем случае задачи контура адаптации заключа-

ются в постоянном контроле характеристик и параметров системы, с целью коррекции параметров (параметрическая адаптация) или структуры (струк-

турная адаптация) управляющего устройства таким образом, что бы качество регулирования, как правило, выраженное в виде функции или функционала,

оставалось в заданных пределах.

На рис. 6.1 в общем виде приведена структурная схема адаптивной САУ, где обозначено g(t) –задающее воздействие, (t) – ошибка регулирова-

ния, u(t) – управляющее воздействие, f(t) – возмущающее воздействие, y(t) –

выходная координата.

Рис. 6.1. Обобщенная структурная схема адаптивной САУ

Контур, образованный «Устройством управления» (УУ) и «Объектом управления» (ОУ) представляет собой классическую систему, работающую по принципу отклонения. «Управляющее устройство адаптации» (УУА),

предназначенное для параметрической или структурной перенастройки ос-

новного «Управляющего устройства», осуществляет постоянный мониторинг внешних воздействий, к числу которых относятся управляющее g и возму-

щающее f воздействия, выходная координата y и ошибка . Кроме того, сис-

тема снабжена «идентификатором объекта», обеспечивающим постоянный контроль параметров объекта управления. В функции вышеперечисленных

611

параметров «Управляющее устройство адаптации» рассчитывает отклонение критерия качества управления от заданного значения и воздействует на

«Управляющее устройство» таким образом, чтобы ликвидировать это откло-

нение.

Следует отметить, что в функции адаптивной системы входит распо-

знание окружающей обстановки и объекта управления и на основании полу-

ченной информации принятие решения о своем дальнейшем поведении для реализации заданной цели управления. При этом система может обладать свойствами самообучения, что выражается в запоминании накопленного опыта действий в различных ситуациях с последующим применением этого опыта в аналогичных ситуациях. Поэтому, адаптивные системы автоматиче-

ского управления в процессе своего функционирования могут использовать достаточно широкий арсенал средств, вплоть до возможностей искусствен-

ного интеллекта.

6.2. Классификация систем адаптивного управления

Как было отмечено ранее, адаптивная система включает в свой состав помимо основного контура регулирования контур адаптации, для которого объектом управления является основной канал. Это означает, что контур адаптации представляет собой второй уровень системы управления. Возмож-

на организация и последующего уровня адаптации. Тогда в зависимости от условий работы, внешних или внутренних возмущающих воздействий, при-

водящих к изменению критерия качества управления, перенастройке подле-

жит не только управляющее устройство основного контура регулирования,

но устройство адаптации первого уровня. Аналогично можно строить и мно-

гоуровневые (иерархические) адаптивные системы, где предыдущий уровень управляет последующим.

Учитывая, что контур адаптации представляет собой систему автома-

тического управления, то он может быть построен по разомкнутому, замкну-

612

тому и комбинированному способам.

В системах с разомкнутым контуром адаптации измеряются внешние воздействия на систему, к числу которых следует отнести управляющее и возмущающие воздействие (величины позволяющие рассчитать возмущаю-

щее воздействие). Далее в функции измеренных параметров по некоторому алгоритму рассчитываются параметры управляющего устройства. Следует отметить, что в системах с разомкнутым контуром адаптации результат воз-

действия на управляющее устройство, выраженный критерием качества управления, не контролируется.

Наиболее часто адаптация ведется в функции выбранного критерия ка-

чества управления. В этих системах на основе анализа выходного процесса рассчитывается выбранный критерий качества управления и сравнивается с желаемым значением. Далее в функции полученного отклонения по заранее определенному алгоритму осуществляется коррекция параметров (структу-

ры) управляющего устройства, с целью устранения или уменьшения этого отклонения.

Комбинированные системы управления включают в свой состав как ра-

зомкнутые, так и замкнутые контуры адаптации.

В зависимости от решаемой задачи адаптивные системы подразделя-

ются на системы со стабилизацией качества управления и системы с оптими-

зацией качества управления. В задачу первых входит поддержание выбран-

ного показателя качества регулирования на заданном уровне или в рамках определенного диапазона. Задача адаптивных систем с оптимизацией качест-

ва управления заключается в автоматическом поиске оптимального значения выбранного критерия качества и его поддержание.

По характеру настройки устройства управления основного контура можно выделить самонастраивающиеся, самоорганизующиеся и самообу-

чающиеся адаптивные системы.

Самонастраивающиеся системы предусматривают адаптацию путем

613

изменения параметров управляющего устройства. Однако достаточно часто в связи с широким диапазоном изменения характеристик внешних воздействий или параметров системы указанная перенастройка не позволяет поддержи-

вать качество управления на требуемом уровне. В этих случаях в процессе адаптации наряду с параметрами управляющего устройства изменению под-

лежит и его структура, что является признаком самоорганизующихся адап-

тивных систем. Самообучающиеся системы подразумевают постепенное на-

копление, запоминание и анализ информации о поведении системы в тех или иных режимах, после чего на базе этой информации происходит адаптация алгоритма управления. Естественно, что в таких системах качество управле-

ния повышается по мере накопления информации.

Учитывая, что самоорганизация и самообучение являются признаками интеллекта, то адаптивные системы, характеризующиеся указанными свойст-

вами можно отнести к классу интеллектуальных систем.

6.3.Самонастраивающиеся системы

6.3.1.Системы с разомкнутой цепью самонастройки

Всистемах с разомкнутым контуром самонастройки коррекция пара-

метров управляющего устройства осуществляется на основании измерения внешних или внутренних факторов, влияющих на поведение системы. К чис-

лу таких факторов можно отнести возмущения, действующие на объект, за-

дающее воздействие в следящих системах, изменение нагрузки на выходе системы, а также изменение параметров объекта регулирования (рис. 6.2), где обозначено: W уу ( s ) и Wоу ( s ) – номинальные передаточные функции управляющего устройства и объекта управления соответственно.

Следует отметить, что в системах с разомкнутым контуром самона-

стройки могут измеряться не сами внешние и внутренние факторы, а величи-

ны, с помощью которых эти факторы могут быть рассчитаны. Так, например,

614

при управлении полетом самолета по величине уровня топлива в баках, мож-

но рассчитать текущее значение массы самолета, которая входит в уравнение его динамики, после чего, на основании полученной информации перена-

строить управляющее устройство.

В следящих системах разомкну-

тый контур самонастройки применяет-

ся для коррекции параметров управле-

ния в зависимости от входного воз-

действия. Например, измерению могут подлежать производные задающего воздействия, в зависимости от резуль-

татов которого происходит изменение порядка астатизма системы. Так при появлении второй производной в управ-

ляющем воздействии контур самонастройки изменяет структуру устройства управления так, что порядок астатизма системы изменяется с первого на вто-

рой, чтоприводит к ограничению установившейся ошибки. При изменении скорости задающего воздействия критерием самонастройки может являться получение желаемой ЛАЧХ, соответствующей характеристикам управляю-

щего воздействия и требованиям к системе. Кроме того, возможна ситуация когда оказывается необходимой перенастройка регулирующего устройства в связи с различными видами помех, поступающих на вход системы вместе с управляющим сигналом. В этом случае перенастройке подлежат фильтры управляющего устройства, которые настраиваются на наилучшее воспроиз-

ведение системой входного сигнала с измеренными свойствами или на по-

давление помех, поступающих на вход системы.

При изменении параметров объекта управления целевой функцией са-

монастройки, как правило, является неизменность передаточной функции замкнутой системы, что в свою очередь позволяет обеспечить требуемое ка-

чество процесса регулирования. Алгоритм самонастройки, в этом случае, 615

следует из анализа передаточной функции замкнутой системы.

Запишем передаточную функцию основного контура управления (рис.

6.2)

и предположим, что под действием возмущающих факторов передаточная функция объекта управления претерпела изменения и стала равной Wоуf (s).

Это неизбежно повлечет за собой изменение передаточной функции W(s) и

как следствие отклонение показателей качества регулирования от заданных.

Вместе с тем, в соответствии с (6.1), для неизменности передаточной функ-

ции замкнутой системы необходимо выполнение условия

где Wууk ( s ) – скорректированная передаточная функция управляющего уст-

ройства, обеспечивающая выполнение равенства (6.2), из которого следует,

что перенастройка управляющего устройства должна осуществляться в соот-

ветствии с зависимостью

В случае, когда по измеряемым внешним и внутренним возмущающим факторам не удается рассчитать текущие параметры объекта управления или в процессе функционирования изменяется его структура, систему самона-

стройки дополняют идентификатором объекта (рис. 6.1).

6.3.2.Самонастраивающиеся системы с моделью

Всостав таких систем в явном или скрытом виде входит модель-эталон желаемой системы (объекта), обладающая требуемыми характеристиками.

При этом управление вырабатывается таким образом, чтобы придать основ-

ному контуру управления заданные моделью динамические свойства.

616

При разработке модели требуется предварительное изучение динами-

ческих свойств системы, что обусловлено недопустимостью введения в сис-

тему модели-эталона, построенной исключительно в соответствии с пожела-

ниями, не сообразующимися со свойствами реальной системы. Модель должна содержать ряд основных динамических свойств моделируемой сис-

темы, таких как устойчивость, минимальнофазовость, порядок астатизма и т.д. Наряду с этим модель может отражать ряд свойств, которые необходимо придать системе. Например, модель может быть линейной, в то время как са-

ма система таковой не является, или описывается уравнением менее высоко-

го порядка, чем реальная система. Вместе с тем необходимо, чтобы модель давала достаточно близкое приближение как качественное, так и количест-

венное в одном из наиболее вероятных режимов работы.

Внастоящее время известен целый ряд способов подключения модели

ксистеме. Так модель может реализовываться в виде гибкой обратной связи основного контура, а управляющее устройство должно включать в свой со-

став пропорциональное звено с достаточно большим коэффициентом усиле-

ния.

Передаточная функция замкнутой системы в этом случае примет вид

1 KWуу( s )Wоу ( s )Wос ( s )

где Wос(s) – передаточная функция главной обратной связи (модели).

При условии, что К>>1 единицей в знаменателе выражения (6.4) можно пренебречь и передаточная функция замкнутой системы примет вид

Wос ( s )

Анализ (6.5) показывает, что для того чтобы передаточная функция замкнутой системы обладала заданными динамическими свойствами, этими свойствами должна обладать инверсная передаточная функция модели.

Наибольшее распространение получили схемы с параллельным основ-

617

ному контуру управления включением модели (рис. 6.3). /4/

Для схемы, приведенной на рис. 6.3 а, имеем

При достаточно большом К первым слагаемым выражения (6.6) можно пренебречь, а во втором слагаемом можно пренебречь единицей в знаменате-

ле, что позволит представить передаточную функцию замкнутой системы в виде

Анализ (6.8) показывает, что и в данном случае, при достаточно боль-

шом К справедливо приблизительное равенство (6.7).

Рис.6.3. Структурная схема самонастраивающейся САУ с параллельным включением

модели

Практические возможности применения изложенного метода стабили-

зации характеристик объекта управления ограничиваются двумя обстоятель-

ствами. Во-первых, коэффициент усиления K нельзя брать произвольно большим, не нарушая устойчивости системы. Поэтому практически допусти-

мо взять лишь его максимальное значение, при котором вся система в целом имеет достаточные запасы устойчивости. Во-вторых, любой объект содержит нелинейности. Так, например, в рассмотренном выше примере отклонение

618

руля самолета имеет ограничения. Рулевая машина также является нелиней-

ной системой, так как ее скорость ограничена. С увеличением усиления сиг-

нала управления пропорционально растет уровень шумов на входах нели-

нейных звеньев, что приводит к уменьшению эффективных коэффициентов усиления этих звеньев.

При больших значениях K эффективные коэффициенты усиления не-

линейных звеньев по полезному сигналу (т. е. статистические коэффициенты усиления по полезному сигналу (см. 4.5)) будут близки к нулю и вследствие этого нелинейные звенья практически не будут работать. Поэтому возможно-

сти увеличения коэффициента усиления K ограничиваются требованием,

чтобы уровень шумов на входах нелинейных звеньев системы управления был достаточно мал. Отсюда следует, что, выбирая значение коэффициента усиления K, необходимо производить статистический расчет системы управ-

ления методом статистической линеаризации и вычислять передаточную функцию Woy ( s ) объекта управления с корректирующими цепями с учетом эффективных статистических коэффициентов усиления нелинейных звеньев системы управления. Только такможно будет выбрать оптимальное значение

K, при котором достигается наилучшее приближение передаточной функции объекта с корректирующими цепями к желаемой передаточной функции Wm ( s ). При этом в систему желательно ввести фильтры, подав-

ляющие, насколько возможно, помехи во входных сигналах нелинейных звеньев.

Вследствие рассмотренных причин невозможно добиться полной ста-

билизации динамических характеристик объекта управления и приближения их к заданным с любой степенью точности. Однако изложенный метод все же позволяет во много раз сократить диапазон изменения характеристик объ-

екта управления при заданном диапазоне внешних условий и вследствие это-

619

го значительно расширить возможности применения простейших систем

управления с постоянными параметрами.

6.3.3. Самонастраивающиеся системы с анализом процесса управления

Рассмотренные системы с разомкнутым контуром самонастройки не позволяют оценить результат адаптации, т. к. не контролируют реализуемые системой показатели качества. Наиболее полно идее адаптации отвечает по-

строение контура самонастройки на базе анализа фактического результата процесса управления (рис. 6.4).

Как отмечалось ранее, при значительных изменениях параметров пере-

даточной функции объекта управления Wоу(s), регулирующее устройство с постоянными параметрами (структурой) не позволяет обеспечить требуемое качество управления. Поэтому задачей контура самонастройки является ана-

лиз фактически получаемых качественных показателей (система без пробных воздействий) или реакция объекта (системы) на специально продаваемый возмущающий сигнал (системы с пробным воздействием) на основании ко-

торого автоматически принимается решение об изменении параметров или структуры управляющего устройства с целью достижения требуемого каче-

ства выходного процесса.

Рис.6.4. Структурная схема самонастраивающейся САУ

с замкнутым контуром самонастройки

Как правило, алгоритмическая и техническая реализация системы са620