1.6. Эволюция структур систем управления

Рассмотрим структуру взаимодействия среды, объекта и системы управления.

Среда отличается от ОУ тем, что на нее СУ непосредственно не воздействует, однако может оказывать опосредованное воздействие через ОУ.

СУ получает сведения от среды и объекта через входной преобразователь D, а решения СУ поступают на ОУ черезвыходной преобразователь R.

Любая СУ должна строится на основе знаний об ОУ. Эти знания отражают фундаментальные свойства ОУ, независящие от текущей ситуации.

Например, совокупность передаточных функций.

Аналогично существуют знания о среде. Совокупность знаний об ОУ и среде назовем моделью знаний (М).

В СУ всегда должен быть механизм порождения решений в виде совокупности определенных процедур (F).

Цель анализа эволюции структур СУ - расширение возможностей автоматизированного управления. Пока будем интересоваться только теми изменениями в структуре, которые носят качественный характер.

Простая разомкнутая системаили система без обратной связи. Такие системы реализуют процедуру управления, "не интересуясь" тем, что из этого получается.

Рис.1. Разомкнутая система управления

Формальная модель - автономный конечный автомат (АКА). АКА обладает фиксированным множеством внутренних состояний Z={z₁,z₂,…z_n}.Смена состояний происходит в дискретные такты времени t. Работа АКА полностью определяется функцией перехода

Z(t+1) = f [Y(t)]

С каждым состоянием автомата однозначно связан выходной сигнал, поступающий на преобразователь R.

Для систем непрерывного типа аналогом автомата является устройство, реализующее на выходе периодическую функцию времени.

Вообще же отсутствие обратных связей не типично для управляющих систем. Отметим, что для подобных систем нет смысла говорить о наблюдаемых ситуациях, поскольку их описания внутри системы нет.

Простая система с обратной связью.

Рис.2. Система управления с обратной связью

Работа блока Fопределяется не только заложенными процедурами, но и наблюдаемыми ситуациями. Появление их внутри СУ определяется обратными связями.

Формальная модель - алгоритм. В частности, автомат с активными входами. Такой автомат задается тремя конечными множествами:

• входов X={x₁,x₂,...,x_k},

• состояний Z={z₁,z₂,....,z_n},

• выходов Y={y₁,y₂,....,y_m}

и двумя функциями:

• функцией переходов: Y_i^t+1 = f_i(x₁^t ,..., x_k^t ; y₁^t ,..., y_k^t), i=1,..,n

• функцией выходов: Z_j^t+1 = φ_j (x₁^t ,..., x_k^t ; y₁^t ,..., y_k^t), i=1,..,m

Рассмотренные системы называются F-системами.

Системы с адаптациейВведем блокА - адаптер.

Рис.3. Система управления с адаптацией

Назначение адаптера - выбор определенной совокупности процедур, реализуемых в F из множества потенциально допустимых процедур на основании анализа наблюдаемых ситуаций.

Пример, в качестве F - автомат вероятностного типа: два состояния и два выходных сигнала, соответствующих этим состояниям. Граф переходов этого автомата, если через - вероятности смены состояний (q_ii).

q₂₁

Если q_iiиq_ijне меняются, то процедура выдачи сигналов из F остается неизменной. Автомат является автономным и СУ оказывается разомкнутой F-системой. Введем адаптер. Его роль сводится к формированию новых значенийq_iiиq_ijна основе сигналов, поступающих от ОУ и среды. Пусть это сигналы двух типов: воздействие F на ОУy₁- "благоприятно" иy₂- "неблагоприятно". При появлении сигнала адаптер проверяет в каком состоянии находится в данный момент автомат. Если автомат производит действие, то есть находится в состоянииy₁, то адаптер поощряет пребывание в нем, увеличивая вероятностьq_iiна некоторуюδ, а вероятностьq_ijуменьшает наδ. При полученииy₂- все наоборот.

Примером адаптации непрерывной системы является автоматическое изменение уставов регулятора при использовании линейного регулятора для управления нелинейным объектом. Почему процедуры адаптера отделены от процедур блока F ? Есть два соображения на выделение. Во-первых, интенсивность работы адаптера существенно меньше интенсивности работы других блоков СУ. Во-вторых, сложную систему значительно легче построить из простых систем.

Системы с адаптацией называются F-A-системами.

Модельные системы управления.Включим новый блок M, называемый моделью.

Рис.4. Система управления с модельным представлением знаний

Еще раз напомним, что модель содержит совокупность определенных знаний об ОУ. Проиллюстрируем необходимость выделения знаний из F в специальный блок М.

Пример.Пусть процесс описывается уравнениемH ( h₁,h₂ ,..., h_s , g)=0.Здесьh_iаргументы, получаемые из наблюдаемой ситуации, agзначение, которое необходимо вычислить для СУ. Если представить исходное уравнение в виде, разрешенном относительноg, то есть какg=Q ( h₁,h₂ ,..., h_s ), и для решения этого уравнения написать алгоритм, то этот алгоритм может быть включен в состав процедур, реализуемых блоком F.

Если же исходное уравнение не удается решить относительно g, то поиск значенийgможет осуществляться способом перебора. В этом случае в F содержится процедура для этого перебора, а соотношениеН=0хранится в модели.

Что показывает этот пример ? Во-первых, представление знаний об объекте в модели более компактно. Хранение знаний в моделях называется декларативным представлением, а хранение их в описании алгоритмов - процедурным представлением знаний. Во-вторых, появление модели М в структуре СУ приводит к необходимости организовать поиск знаний в этой модели. Этот поиск осуществляется блоком F. Сменить информацию в М гораздо легче, чем написать новые процедуры для блока F.

Эти системы называются F-M-системами.

Семиотические системы.

До сих пор мы считали, что знания об ОУ полны и достоверны. Однако для сложных ОУ, эволюционирующих во времени, содержимое блока М меняется в процессе работы системы. Перестройка модели происходит с помощью блока I - интерпретатора.

Рис.5. Сложная система управления (интеллектуальная)

Задача интерпретатора - интерпретация ответных реакций среды и ОУ на воздействия СУ и процессов, протекающих в ОУ, в терминах блока М. Это осуществляется с помощью специальных процедур, реализуемых в интерпретаторе, таких как выделение причинно-следственных цепочек, обнаружение закономерностей и т.п. В отличие от предшествующих СУ, в которых основной блок F, здесь центральную роль играют М и I.

Подобно адаптеру, меняющему структуру блока F, интерпретатор меняет структуру блока М. Однако если адаптер меняет структуру F по заранее заданному плану в зависимости от сигналов обратной связи от ОУ, то интерпретатор работает вообще без заранее заданного плана, так как заложенные в него процедуры носят универсальный характер.

Такие СУ называются семиотическими. Они могут быть усложнены путем внесения в их структуру адаптера.

Рис.6. Сложная система управления с адаптацией

Такие СУ обладают весьма гибкими возможностями и могут быть использованы при управлении объектами, для которых закономерности их функционирования или процедуры управления ими не могут быть априорно описаны с необходимой степенью подробности.