Самонастраивающиеся системы

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

Из всех разновидностей самоприспосабливающихся автомати­ческих систем наибольшего развития в настоящее время достигли самонастраивающиеся, которые не требуют введения в них уст­ройств долговременной памяти и в то же время позволяют резко повысить эффективность автоматического управления различными объектами и технологическими процессами, отличающимися не­постоянством параметров и условий. Обобщенная структура са­монастраивающихся систем (СНС) соответствует уже рассмот­ренной схеме (рис. 42), причем перестройки, происходящие в из­меняемой части САУ, ограничиваются изменением ее параметров (чаще всего одного, например, коэффициента усиления).

Надо заметить, что некоторые устройства, подпадающие под такое определение самонастраивающихся систем, появились раньше, чем вошло в обиход это название, и по традиции на­зываются просто системами автоматического управления или ре­гулирования. Так, весьма простой самонастраивающейся систе­мой (СНС) можно считать описанные выше системы АРУ «вперед» (рис. 20) и замкнутой АРУ (рис. 35). Действительно, в обоих случаях в роли объекта управления выступает следящая система (усилитель), включающая в себя изменяемую часть — регулятор усиления. Процесс управления заключается в измене­нии параметра (коэффициента усиления) следящей системы. Целью управления является поддержание уровня выходного сигнала следящей системы вне зависимости от конкретной формы этого сигнала и уровня входного сигнала. Соответственно управляющие устройства на рис. 20 и 35 содержат специальные блоки измерения характеристик сигналов, необходимые для оценки показателя качества,— датчик уровня и фильтры. Нако­нец, в замкнутой АРУ (рис. 35) имеется устройство, которое оце­нивает качество работы системы, сравнивая предписанное значе­ние уровня выходного сигнала У₀ с истинным У.

Однако для современных тенденций развития СНС характер­ны более сложные принципы управления параметрами изменяемой части основного контура САУ. Известный ученый в области теории управления и случайных процессов В. С. Пугачев ука­зывает, что отличительной особенностью самонастраивающейся системы должно быть использование критериев качества, содер­жащих информацию не только о текущих значениях выхода объекта управления, но и о его динамических характеристиках.поскольку именно они должны целенаправленно изменяться кон­туром самонастройки. Эту мысль иллюстрирует распространенный принцип построения СНС с моделью основного контура управ­ления в цепи самонастройки (рис. 43)

Рис. 43. Схема СНС с моделью основного контура в цепи самонастройки.

.

Основная идея этого типа СНС заключается в том, чтобы удерживать близкими к желаемым динамические свойства основ­ного контура, когда параметры объекта управления, входящего в неизменяемую часть системы,, известны неточно или могут непредвиденным образом изменяться возмущающими воздейст­виями в процессе работы системы. Желаемую характеристику основного контура моделируют при помощи соответствующего набора простых электрических цепей (динамических звеньев) так, что при подаче на вход такой модели любых задающих воз­действий х на ее выходе появляются сигналы у₃, соответствую­щие желаемой реакции у объекта управления. При помощи уст­ройства, сопоставляющего реакцию у_э с вызвавшим ее сигналом х, вычисляется значение Q₂ заданного критерия качества. Анало­гичный вычислитель качества устанавливается в основном кон­туре управления. Сравнение показателей качества эталонного контура, включающего в себя модель, Q₂, и основного контура, Qi, позволяет обнаруживать отклонение динамических свойств последнего от желаемых и образующийся на выходе сравниваю­щего устройства сигнал рассогласования AQ использовать для организации процесса перестройки параметров изменяемой части основного контура с целью приближения его динамических свойств к желаемым. Необходимую перестройку параметров осу­ществляет оптимизатор.

На рис 43, как и прежде (рис. 42), для упрощения схемы основной контур показан разомкнутым, но без каких-либо прин­ципиальных изменений в работе устройства он может быть по­строен и по принципу управления с обратной связью. Для этого достаточно на вход изменяемой части / подавать не задающее воздействие х, а сигнал рассогласования е, получаемый в ре­зультате сравнения воздействия х с сигналом обратной связи от выхода у объекта управления.

Сравнивая схемы на рис. 43 и 42, легко усмотреть, что совокупность узлов модель, вычислитель 1, вычислитель 2 и сравни­вающего устройства представляет собой конкретную структуру блока оценки качества обобщенной схемы.

Примером применения принципа самонастройки по модели служит устройство самонастраивающегося автопилота самолета (рис. 44). Автопилот предназначен для автоматического, без вмешатель­ства летчика, управления полетом самолета. На рис. 44 изобра­жен один канал автопилота, служащий для управления са­молетом в продольном направлении (по высоте). Задающий сиг­нал для автопилота вырабатывается гироскопическим устройством ГУ, сравнивающим истинное направление полета самолета (вы­ходную переменную САУ) с направлением, заданным летчиком с помощью соответствующей рукоятки потенциометрической схемы. Сигнал ошибки усиливается усилителем У до величины, достаточной для приведения в действие рулевой машинки РМ, которая управляет рулями высоты. В расчете на неизменные динамические свойства самолета можно так выбрать параметры усилителя (коэффициент усиления, частотную характеристику), что при всяком отклонении самолета от заданного направления автопилот быстро и с наименьшей суммарной погрешностью бу­дет возвращать его на заданный курс. Однако сильные изменения условий полета, зависящие от скорости, высоты, изменения на­грузки самолета, обледенения, приводят к тому, что на одинако­вые управляющие воздействия самолет может реагировать по- разному. Иначе говоря, зависимость выходной переменной от управляющего воздействия непостоянна. Поэтому отклонения определяющих эту зависимость динамических характеристик са­молета от расчетных приводят к ухудшению качества управле­ния при фиксированных параметрах управляющего устройства.

Рис. 44. Упрощенная схема самонастраивающегося автопилота.

Для автоматической подстройки параметров автопилота под из­меняющиеся характеристики самолета используется контур само­настройки с эталонной моделью.

Модель представляет собой электрическую цепь, создающую такой же выходной сигнал, какой должен появляться на выходе измерителя реакции самолета (ИР) при условии, что динамиче­ские свойства самолета соответствуют расчетным. Выходы обоих этих устройств сравниваются и, если истинные характеристики са­молета отличаются от расчетных, на выходе сравнивающего уст­ройства появляется сигнал рассогласования Д. Этот сигнал поступает в анализатор, задача которого выяснять, как надо из­менить параметры основного контура управления для того, чтобы система в целом (автопилот+самолет) продолжала сохранять же­лаемые свойства, несмотря на изменения характеристик одной из ее частей (самолета). Вырабатываемые анализатором сигналы поступают на оптимизатор, который изменяет необходимые пара­метры усилителя У в основном контуре управления.

Самонастраивающиеся системы зачастую удается строить так, что оптимизирующее устройство в любой момент целенаправ­ленно изменяет параметры основного контура управления, при­ближая их к оптимальным значениям. Такая возможность появ­ляется, когда отличие истинного значения показателя качества от желаемого (на выходе модели) однозначно указывает необхо­димое направление изменения параметров. В более сложных слу­чаях заданный показатель качества может иметь такую природу, что по его текущему значению нельзя определить благоприятного направления изменения параметров: требуются пробные или, по­исковые, изменения параметров в разных направлениях. Исполь­зующие этот принцип СНС называются поисковыми.

Идея поисковых СНС основана на введении автоматического опробования возможных вариантов характеристик основного контура управления, оценке соответствующих значений показа­теля качества и выборе того варианта, который обеспечива­ет лучшее значение показателя качества.

Предложено много модифи­каций структурных схем поис­ковых СНС, методов организа­ции поиска и способов оценки наилучшего (экстремального) значения показателя качества в таких системах. Наиболее простыми по логике работы являются системы с последо­вательным опробованием не­большого ассортимента преду­смотренных характеристик ос­новного контура и запомина­нием лучшего варианта. Их действие напоминает выбор благоприятного звучания радиоприемника, снабженного клавиш­ным переключателем тембра, когда, настроив приемник на ка- кую-либо радиостанцию, радиослушатель поочередно нажимает клавиши «музыка», «речь», «бас» и т. д. и в конечном счете останавливается на той, при нажатии которой качество звучания кажется ему наиболее благоприятным. Легко сообразить, что выполнение этой процедуры требует запоминания показателя качества всех опробованных вариантов до окончания процедуры поиска и наличия специального программного устройства, задаю­щего программу опробования (поиска). Структурная схема, по­ясняющая работу таких систем, показана на рис. 45.

Рис. 45. Схема поисковой СНС.

Основной контур управления представлен в виде двух частей: изменяемой (/) и неизменяемой (II). Изменение параметров части I осуществляется исполнительным устройством ИУ под действием команд, поступающих на него от программного уст­ройства ПУ. Блок БОК осуществляет измерение заданного показателя качества, причем полученные его значения вводятся в запоминающее устройство ЗУ. Оно содержит столько ячеек памяти, сколько предусмотрено различных вариантов характери­стик блока I. В соответствии с поступающей от ПУ информацией N о том, какой из вариантов в данный момент испытывается, запоминание значения показателя качества Q происходит в от­веденной для этого варианта ячейке ЗУ. По окончании цикла опробования от ПУ поступает команда на сравнивающее устройство СУ, которое определяет, в какой ячейке ЗУ хранится на­илучшее значение показателя качества, и сообщает соответст­вующий номер N опт варианта программному устройству. После этого ПУ подает на ИУ команду на установку соответствующего варианта характеристики блока / и прекращает работу цепей самонастройки.

Поскольку с течением времени, вследствие изменения харак­тера внешних воздействий, выбранная настройка основного кон­тура может стать неоптимальной, процедуру самонастройки надо время от времени повторять. Это может осуществляться по команде, вводимой в ПУ извне, или с помощью автоматического датчика пусковых сигналов, предусматриваемого в составе про­граммного устройства.

Осуществление поискового принципа самонастройки так или иначе связано с дополнительными воздействиями на САУ. Эти воздействия, называемые поисковыми, в рассматриваемой системе представляют собой переключения цепей в блоке /, в результате которых изменяются характеристики основного контура. Они неизбежно сказываются на качестве работы САУ, изменяя вы­ход у даже при неизмененном задающем воздействии х. По окончании цикла поиска возмущающее влияние поисковых воз­действий прекращается. Однако фиксация определенной харак­теристики основного контура оборачивается прекращением сле­жения за качеством действия САУ (до момента очередной са­монастройки). Поэтому более совершенные СНС строятся по принципу непрерывного поиска, совмещаемого с рабочим режи­мом системы. Но при этом допустимы лишь небольшие поиско­вые воздействия, возмущающее действие которых не выво­дит выходную переменную за пределы допустимых отклонений. Особая задача, которая возникает в таких устройствах, заключается в необходимости эффективного выделения сла­бого сигнала (реакции основного контура на малое поисковое воздействие) на фоне другого более сильного сигнала (изменений выходной переменной у, обусловленных задающим воздейст­вием х).

Мощным средством помехоустойчивого выделения слабого сигнала в присутствии помех является накопление энергии этого сигнала за счет осреднения результатов многократных измере­ний. Такая процедура возможна, если выделяемый сигнал суще­ствует длительное время или многократно повторяется.

С простейшей формой накопления мы уже встречались в си­стемах АРУ. Усиливаемый сигнал x(t), например, на рис. 20, представляет собой сложное колебание неизвестной заранее фор­мы, а для работы системы АРУ надо знать средний уровень этого сигнала. Здесь усиливаемый сигнал (рис. 46, а) можно представить состоящим из суммы колебаний с постоянной ампли­тудой, равной среднему значению амплитуды сигнала x(t) (рис. 46,6), и второго сигнала (рис. 46, в), равного разности истинного сигнала и среднего. Для устройства АРУ полезным сигналом является сигнал со средним значением амплитуды (б), а разностный (в) оказывается мешающим, так как его наличие затрудняет оценку среднего уровня. Характерно, что отклонения отдельных амплитуд от среднего значения в противоположные стороны равновероятны. Поэтому, если просуммировать значения большого числа п положительных амплитуд, то сумма Uі + + ІІ2+... *rUп будет очень близка к увеличенной в n раз сред­ней амплитуде:

(23)

Такого рода операцию и выполняет датчик уровня в устрой­стве АРУ.

Рис. 46. Разложение сигнала, модулирован­ного по амплитуде (а) на составляющую с по­стоянной амплитудой (б) и случайную со­ставляющую (в).

Детектор Д (рис. 20) выделяет амплитуды положительных полупериодов сигнала x(t) и подает их на вход сглаживающего фильтра. Фильтр Ф со временем осреднения т создает отклик, получающийся в результате наложения друг на друга откликов, вызванных всеми амплитудами за время, пропорциональное по­стоянной времени фильтра т. Таким образом, выходной сигнал фильтра пропорционален среднему значению амплитуды сигнала x(t). Иначе говоря, накопление, осуществляемое фильтром, по­зволяет выделить информацию о полезном сигнале (об ампли­туде колебания на рис. 46, б) в присутствии соизмеримой с ним помехи (рис. 46, е). Чем больше время осреднения (число сум­мируемых отсчетов п), тем лучше выполняется соотношение (23), т. е. тем точнее, с меньшими погрешностями, выделяется полез­ный сигнал.

Еще большими возможностями обладают устройства с син­хронным накоплением, так называемые когерентные и корреляционные обнаружители. Распространенным устройством этого класса является синхронный детектор

Синхронное детектирование применяется в случае, когда надо выделить не постоянное для исследуемого процесса значение какого-нибудь параметра, как это позволяет делать обычный де­тектор в сочетании с фильтром-накопителем, а некоторый перио­дически повторяющийся сигнал, используя информацию о частоте этого сигнала.

Принцип действия синхронного детектора основан на том, что его выходное напряжение в каждый момент времени пропорцио­нально произведению мгновенных значений двух входных на­пряжений, подводимых к незави­симым входам. Произведение двух величин положительно, если обе они положительны или обе отри­цательны. Поэтому на выходе синхронного детектора положи­тельные напряжения преобладают над отрицательными лишь при условии, что в обоих входных напряжениях присутствует син­хронно изменяющаяся составляю­щая одинаковой формы. Тогда, сглаживая (т. е. осредняя путем накопления) выходное напряже­ние " синхронного детектора, мож­но извлечь информацию о наличии такой составляющей в присутст­вии сильных мешающих сигналов. Действительно, пусть на оба вхо­да действуют синусоидальные на­пряжения,и,. Тогда при равенстве их частотпроизведение

(24)

Если же, то

(24а)

В первом случае появляется постоянная составляющая, про­порциональная амплитудам обоих входных напряжений, а во втором случае она отсутствует. Что касается переменных состав­ляющих (удвоенной частоты 2м в первом Случае и суммарной o)i + q)2 и разностной сої — ш₂ во втором), то они легко отсеива­ются при сглаживании фильтром с достаточно низкой граничной частотой (большим временем накопления).

Таким способом удается обнаруживать и измерять интенсив­ность очень слабых периодических сигналов, если их частота точно известна в присутствии сильных помех. Достигается это подачей на один вход синхронного детектора исследуемого сиг­нала, включающего в себя как обнаруживаемый сигнал, так и помехи, а на другой вход — образца обнаруживаемого колебания известной частоты. При этом допустима лишь небольшая ошибка в значении частоты — не более малой доли периода на протяже­нии всего времени накопления. Практически эффективная работа синхронного детектора достигается, когда в качестве «опорного» колебания удается подать сигнал от того же источника, который является первоисточником обнаруживаемого сигнала. Так как в поисковых СНС поисковый сигнал создается устройствами, входящими в состав самой системы, не возникает никаких пре­пятствий для использования этого же сигнала в качестве опор­ного. Общий принцип включения синхронного детектора в по­исковые СНС иллюстрируется рис. 47.

Рис. 47. Схема включения синхронного детектора в по­исковые СНС.

На исследуемую систему действуют различные задающие и возмущающие воздействия х, формирующие ее выходной сигнал у. Поисковые воздействия Хп.м формируются путем наложения модуляции на исходный поисковый сигнал х_п, создаваемый источ­ником поискового воздействия ИПВ. Этой цели служит модуля­тор М, воспринимающий синусоидальный модулирующий сигнал х_м от генератора Г. Таким образом, изменения выходной пере­менной системы у, вызванные теми или иными поисковыми воз­действиями, в отличие от изменений, вызванных воздействиями X, оказываются меченными модуляцией с частотой сигнала х_м. Подача на синхронный детектор СД сигнала х_ш в качестве опор­ного позволяет отделить информацию о свойствах системы при различных значениях поискового воздействия от информации, заключенной в изменениях у за счет всех прочих воздействий. Сопоставление поискового воздействия Ха с выделяемой синхрон­ным детектором реакцией на него у_п системы осуществляется анализирующим устройством, непрерывно оценивающим эффек­тивность того или иного поискового воздействия.

Основанные на этом принципе СНС позволяют достигать не просто достаточно хорошего качества работы, но в заданном смысле — наилучшего, причем выбранный критерий качества до­стигает максимального или минимального, в зависимости от тре­бований, значения. Такие СНС называются экстремальными.

Лекция 8