Задача управления с приспособлением

Все рассмотренные выше автоматические системы в той или иной мере чувствительны к изменениям характеристик объекта управления, внешних воздействий и элементов, используемых в структуре самого управляющего устройства. Некоторые си­стемы (разомкнутые и с оптимальным управлением) вообще не могут быть спроектированы без точного знания этих характе­ристик, причем весьма незначительные их изменения в про­цессе эксплуатации могут сделать автоматическую систему вовсе неработоспособной. Замкнутые автоматические системы менее чувствительны к неточному учету характеристик элементов и их изменениям, но достаточно сильные изменения свойств объекта или внешних воздействий также могут приводить к резкому ухудшению качества работы системы и даже к потере ею рабо­тоспособности. Между тем, все большее значение начинают при­обретать задачи создания систем автоматического управления сложными объектами, характеристики которых либо существенно, порой непредвиденным образом изменяются, либо просто не мо­гут быть заранее выяснены с необходимой полнотой. К такого рода объектам относятся современные самолеты и ракеты, резко изменяющие свои динамические свойства в зависимости от высоты и скорости полета, расхода горючего, обледенения, сложные производственные процессы, управление которыми при­ходится разрабатывать еще до введения в строй самого завода и т. п. Не менее важны задачи эффективного управления при широких вариациях внешних условий, определяющих задающие и возмущающие воздействия на автоматическую систему.

Во всех этих случаях ставится требование обеспечить луч­шее функционирование системы чем то, которое может быть по­лучено на основании недостаточной априорной (заранее из­вестной) информации о характеристиках объекта управления и внешних воздействий. При этом формулируется четкий крите­рий — показатель качества, по значению которого можно конт­ролировать эффективность работы системы. Поставленные таким образом задачи могут решаться устройствами, способными само­стоятельно в процессе эксплуатации извлекать недостающую ин­формацию и корректировать собственные характеристики в на­правлении, обеспечивающем улучшение заданного показателя качества. По-видимому, в самом общем случае такие системы уместно называть самоприспосабливающимися. Некоторые авто­ры, учитывая те или иные особенно­сти правил, которым подчинено дей­ствие таких систем, применяют раз­личные названия: самооптимизирую­щиеся, самоалгоритмизирующиеся, самоорганизующиеся, самообучающи­еся и т. п. Мы выделим только два класса самоприспосабливающихся систем.

В случае, если недостающая ин­формация может быть выявлена сразу после изготовления всей системы (точные характеристики объекта уп­равления, особенности реального ас­сортимента входных воздействий), то процесс приспособления необходим лишь в период ввода в эксплуатацию этой системы и в дальнейшем харак­теристики системы могут оставаться неизмененными (исключая переналадку, которая может потребоваться при замене отдель­ных узлов, изменении технологических задач или модернизации). Системы, автоматические осуществляющие такое приспособление в течение начального периода работы, назовем обучающи­мися. Поскольку скорректированные в период обучения харак­теристики таких систем должны затем неопределенно долго удер­живаться без изменений, обучающимся системам должна быть свойственна долговременная память. Эта память как бы позво­ляет накапливать опыт в процессе обучения и руководствоваться им в дальнейшей работе. Поэтому обучающиеся системы при пов­торном возникновении одинаковых ситуаций в период обучения реагируют на них по разному, улучшая с течением времени зна­чение показателя качества.

Другой класс самоприспосабливающихся систем необходим в случаях, когда в процессе их эксплуатации могут происходить сильные изменения свойств объекта управления или внешних воздействий в моменты, заранее неизвестные. Тут необходимы непрерывный текущий контроль показателя качества и оператив­ные перестройки характеристик системы в соответствии с изме­няющимися условиями ее работы. Для успешного функциониро­вания таких приспосабливающихся систем предварительное обу­чение и долговременная память могут не требоваться, и при повторном возникновении одинаковых ситуаций такая система будет действовать одинаково. Но приспосабливая всякий раз свои характеристики к конкретной ситуации, эти системы позво­ляют поддерживать высокую эффективность работы в различных условиях. Такие приспосабливающиеся системы будем называть самонастраивающимися.

Характерное отличие всех самоприспосабливающихся систем состоит в наличии иерархии управляющих контуров, в простей­шем случае — двух (рис. 41).

Рис. 41. Обобщенная схема самоприспосабли­вающейся автоматиче­ской системы.

Здесь имеется контур управления основного назначения (САУ) и контур, управляющий характери­стиками первого контура С устройство настройки). Та­ким образом, в роли объек­та управления второго кон­тура выступает обычная система автоматического уп­равления. Информация о том, как реагирует САУ на те или иные входные воз­действия, поступающая в устройство настройки в ви­де сигналов х и у, позволя­ет этому устройству оцени­вать качество функциониро­вания САУ и осуществлять управляющие воздействия ^ху< улучшающие работу САУ.

Несмотря на структур­ное сходство схемы обуча­ющейся системы (рис. 41) с ранее рассмотренными (рис. 36), закономерности ее работы носят новые чер­ты. Ярче всего это прояв­ляется в характере цели функционирования системы. У описанных ранее систем в качестве цели задавались желаемые значения выхода объекта управления. В самоприспосабливающихся системах целью является достиже­ние достаточно хорошего значения некоторого обобщенного по­казателя качества функционирования САУ путем автоматического изменения характеристик этой САУ. Для решения такой задачи САУ должна содержать изменяемую часть, а устройство на­стройки включать в себя блок оценки заданного показателя ка­чества (БОК) 'и устройство, управляющее характеристиками из­меняемой части САУ (оптимизатор). Эти особенности структуры самоприспосабливающейся системы отражены в схеме на рис. 42.

Рис. 42. Схема самоприспосабли­вающейся системы с двумя конту­рами управления / — изменяемая часть основного конту­ра; // — неизменяемая часть.

В общем случае оценка качества работы САУ может произ­водиться путем анализа входных воздействий х, выхода у₂ и воздействий у\ со стороны изменяемой части САУ на неизме­няемую.

В зависимости от того, каких сведений недостает для разра­ботки эффективной САУ без самоприспособления, в устройство настройки (УН) могут вводиться те или иные сигналы из числаx, y_h y₂. Так, если эффективная работа САУ при широких вариа­циях внешних воздействии возможна лишь в случае перестройки ее характеристик в зависимости от этих воздействий, а харак­теристики самих блоков САУ известны достаточно полно, то в устройство настройки можно вводить информацию только о внешних воздействиях х, а связи БОК с переменными у\ и у₂ могут быть опущены.² Если основные затруднения связаны с не­возможностью точно учесть характеристики объекта управления САУ (он входит в состав ее неизменяемой части), то у БОК может отсутствовать вход х, но необходим ввод данных о вход­ных (уі) и выходных (у₂) переменных неизменяемой части, так как, анализируя соотношения между этими переменными, можно выяснить истинные свойства объекта управления САУ и согла­совать с ними характеристики управляющего устройства, завися­щие от изменяемой части САУ.

Каждый из контуров управления, образуемых САУ и УН, может быть построен на принципах управления по возмущению (разомкнутый) или по отклонению (замкнутый), а также на принципе комбинированного управления. Соответственно полу­чаются различные варианты структурных схем самоприспосабли­вающихся систем. В частности, на рис. 42 основной контур (САУ) показан разомкнутым, а контур настройки — с комби­нированным управлением. Если при проектировании кон­кретной системы конструктор выбирает один определенный по­казатель качества, например быстродействие САУ, то вход Ц на рис. 42 может быть отброшен, так как выбранная цель функ­ционирования системы закладывается непосредственно в БОК путем соответствующего его устройства. Если же в процессе экс­плуатации системы предусматривается изменение или выбор по­казателя качества (оператором, учителем или автоматически.— при наличии иерархии самоприспосабливающихся систем), то вход Ц должен присутствовать.

Лекция