Принципы построения и классификация адаптивных систем

Как известно, живые организмы обладают уникальной способностью приспосабливаемости (адаптации) к изменяющимся внешним и внутренним условиям. Это связано с высоким уровнем внутренней организации их жизнедеятельности, способностью наилучшим образом по скорости, экономичности, целесообразности реагировать на различного рода возмущения, принимая наилучшие решения даже в очень сложных ситуациях. Указанное обстоятельство определило одно из важных направлений развития теории управления, связанное с изучением и выявлением особенностей организации процессов управления в живых организмах с целью их использования в системах управления техническими объектами.

Адаптивными системами автоматического управления называют такие системы, в которых параметры управляющих воздействий или алгоритмы управления, при изменении характеристик объекта и воздействий внешней среды автоматически корректируются для обеспечения наилучшего в каком-либо смысле процесса управления объектом.

Необходимость в адаптивных системах управления возникает в связи с усложнением решаемых задач управления в условиях значительной неопределенности информации о процессах. Примерами таких сложных объектов управления могут служить многокомпонентные технологические процессы в химической и металлургической промышленности, высокоскоростные летательные аппараты, современные производства с гибкой технологией, автоматические линии, цеха, заводы.

Рис. 32.1 Общая блок-схема адаптивной системы

Если априорная информация об объекте управления и условиях его эксплуатации является полной, то разработчик на основании этой информации имеет возможность спроектировать обычную (неадаптивную) систему управления с заранее заданными показателями качества. Чем полнее эта информация, тем выше будут качественные показатели проектируемой неадаптивной системы управления.

Поскольку в реальных условиях эксплуатации системы за счет воздействия различных факторов внешней среды характеристики объекта управления могут изменяться в достаточно широких пределах, а возмущения, прикладываемые к объекту, как правило, носят случайный характер, то процесс адаптации системы к изменяющимся условиям должен включать в себя следующие основные элементы:

− оценку математической модели объекта;

− оценку переменных состояния объекта;

− корректировку алгоритма управления в связи с изменившимися условиями и формирование управляющих воздействий для обеспечения заданных показателей качества.

На рис. 32.1 показан один из вариантов общей блок-схемы адаптивной системы. Для каждой конкретной адаптивной системы набор элементов и способ их соединения могут изменяться, но наиболее характерные тенденции в организации адаптации можно увидеть на этой схеме. Адаптивная система, как правило, кроме основного контура содержит контур адаптации.

Основной контур включает в себя объект управления (ОУ), управляющее устройство, охваченные главной отрицательной обратной связью. Управляющее устройство этого контура, формирующее закон управления, должно обеспечивать оптимальный процесс в соответствие с выбранным критерием качества для некоторой расчетной математической модели объекта и наиболее вероятных условий его эксплуатации. Главной особенностью управляющего устройства является возможность коррекции, как структуры закона управления, так и его параметров в процессе адаптации системы к изменяющимся условиям.

Элементы контура адаптации выполняют следующие функции:

− идентификатор ОУ предназначен для контроля математической модели объекта управления и ее коррекции в соответствии с вариантами реальных характеристик;

− устройство оценки состояния ОУ служит для измерения и определения выходной координаты объекта управления и ее производных, необходимых для реализации оптимального алгоритма управления;

− устройство ошибки осуществляет измерение и определение сигнала ошибки системы и его производных, необходимых для реализации оптимального алгоритма управления;

− эталонная модель задает требуемые оптимальные динамические характеристики для объекта управления;

− цифровая вычислительная машина ЦВМ на основании сообщений от всех источников информации формирует алгоритм оптимального управления;

− устройство адаптивной подстройки в соответствии с алгоритмом оптимального управления осуществляет требуемую подстройку управляющего устройства для обеспечения оптимального процесса.

Функции ЦВМ и устройства адаптивной подстройки могут быть реализованы непосредственно в управляющем устройстве.

Классификация адаптивных систем может быть проведена по различным признакам и особенностям организации процесса адаптации. Единой, общепринятой классификации адаптивных систем в настоящее время еще нет. Рассмотрим некоторые подходы при классификации таких систем.

Адаптивные системы разделяются на следующие типы: системы дуального управления, обучающиеся системы, системы с моделью, самонастраивающиеся системы.

В системах дуального управления изучение свойств объекта и управление объектом осуществляются с помощью воздействий, которые имеют двойственный характер.

Обучающиеся системы совершенствуют процесс управления по мере получения дополнительной информации об объекте и условиях его эксплуатации в соответствии с принятым алгоритмом управления.

Системы с моделью вырабатывают управляющие воздействия на основании сравнения оптимальных динамических характеристик эталонной модели и реальных характеристик объекта управления с целью приближения реального процесса к оптимальному.

Самонастраивающиеся системы являются наиболее широким классом адаптивных систем, в которых недостающую информацию о процессе управления получают в результате автоматического поиска. К таким системам относятся и экстремальные системы, в которых статические характеристики объекта управления, отражающие качество процесса, имеют явно выраженный экстремальный характер, и задача управления сводится к определению управляющих воздействий, обеспечивающих экстремум характеристик объекта управления.

Кроме этого, рассматривается классификация адаптивных систем в зависимости от характера адаптации. Адаптация может проводиться по:

− сигналам внешних воздействий;

− динамическим характеристикам объектов;

− сигналам внешних воздействий и динамическим характеристикам объектов.

При адаптации может осуществляться только настройка параметров системы или изменяться и ее структура (собственно самонастраивающиеся системы, самоорганизующиеся системы). Самонастройка может быть активной и пассивной, контуры самонастройки могут быть разомкнутыми и замкнутыми. Самонастраивающиеся системы называют аналитическими, если процесс адаптации осуществляется без поисковых сигналов.