10. АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ

При синтезе оптимальных параметров системы управления, аналитическом конструировании регуляторов, алгоритмов оптимального управления предполагается, что структурные схемы системы и объекта управления, внешние воздействия точно известны и что с течением времени они остаются неизменными. Однако на самом деле в реальных условиях эксплуатации технических объектов с автоматическим управлением они в лучшем случае известны с точностью до параметров, которые могут непредсказуемо меняться в широких пределах. В подобных условиях подлинное оптимальное управление можно обеспечить, если в процессе работы системы непрерывно оценивать переменные состояния системы, воздействия на систему и в соответствии с этими оценками перестраивать параметры регуляторов, изменять алгоритмы управления, а возможно и конфигурацию системы. Системы автоматического управления, способные решать эти задачи автоматически в реальном масштабе времени, называют адаптивными системами.

Классификация адаптивных систем. Адаптивные системы классифи-

цируют по различным признакам, чаще всего по основному фактору, который требует применения адаптации, например, непредвиденные (случайные) изменения внешних воздействий, в том числе и воздействий на входе системы; изменение динамических характеристик объекта управления, изменение некоторого показателя качества работы объекта управления или системы. По этому фактору различают следующие виды адаптивных систем:

а) системы с адаптацией к внешним воздействиям и управляемым переменным;

б) системы с адаптацией к динамическим характеристикам объекта управления;

в) экстремальные системы, обеспечивающие поддержание таких заранее неизвестных значений входных величин объекта управления, при которых главный показатель имеет экстремальное значение (например, температура, секундный расход, мощность и т.д.).

Дополнительным признаком классификации считают способ воздействия канала адаптации на систему. По этому признаку различаю самонастраивающиеся системы, у которых осуществляется автоматическая настройка регулируемых параметров; самоорганизующиеся – системы с автоматической реконфигурацией структурной схемы; самоалгоритмизирующиеся – с автоматическим изменением алгоритма работы.

Системы с адаптацией к внешним воздействиям. Оптимальные систе-

мы часто рассчитывают на определенный тип внешних воздействий с постоянными параметрами. Однако во многих случаях характеристики этих воздействий бывают известны с точностью до параметров, которые могут быть произвольными функциями времени. Чтобы в этих условиях реализовать оптимальный процесс, необходимо измерять текущие значения параметров воздей-

155

ствий и в соответствии с этими измерениями перестраивать либо параметры, либо структуру регулятора.

Структурная схема адаптивной системы, способной решать эту задачу, показана на рис. 10.1.

v(t) + n(t)

v(t) + n(t)

Рис. 10.1

Анализатор оценивает характеристики и параметры воздействийv(t) и n(t) с учетом реакции системы y(t) на их аддитивную смесь v(t) + n(t). В соответствии с результатами оценивания по заданным алгоритмам оптимизации качества рассчитываются и настраиваются параметры регулятора.

При использовании быстродействующей аппаратуры обработки информации и настройки параметров быстродействие контура адаптации определяется в основном длительностью интервала изменения параметров воздействий в анализаторе. Если параметры воздействий меняются достаточно медленно, то с увеличением длительности интервала измерения точность настройки параметров, а, следовательно, точность управления возрастает. Однако при быстрых изменениях характеристик воздействий возникает противоречие между временем, необходимым для точного измерения параметров воздействий, и скоростью их изменения. Это противоречие усугубляется тем, что система управления превращается в систему с переменными параметрами, скорость изменения которых соизмерима со скоростью протекающих в системе переходных процессов. Эти обстоятельства в значительной степени затрудняют практическую реализацию систем с адаптацией к внешним воздействиям.

Системы с адаптацией к динамическим характеристикам объекта управления. Существует обширный и важный вид адаптивных систем, предназначенных для управления в условиях изменения параметров объекта управления, подверженных внешним возмущениям. К этому виду относятся системы с автоматическим контролем частотных характеристик, импульсных переходных функций, системы со спектральным анализатором и сравнением высокочастотных и низкочастотных составляющих, например сигнала ошибки управления, и другие. Однако, наиболее просты в реализации адаптивные системы с эталонными моделями, структурная схема которых показана на рис. 10.2, где

156

e – ошибка адаптации, r – вектор перестраиваемых (регулируемых) параметров регулятора.

v

Рис. 10.2

В этой схеме реакция у реальной системы сравнивается с реакцией yМ эталонной модели и сигнал e используется в блоке алгоритмов(законов) адаптации для оценки значений настраиваемых параметров регулятора, обеспечивающих приближение динамики реальной системы к динамике эталонной модели. Предполагается, что регулятор содержит функциональные элементы, изменяющие реальные параметры с целью их приближения к оценкам.

Эталонная модель системы может быть полной и отражать все особенности структурной схемы реальной системы с постоянными параметрами, полученными на этапе проектирования, так и приближенной. Приближенную модель обычно выбирают в тех случаях, когда динамика реальной системы сколь угодно высокого порядка подобна динамике системы второго или третьего порядка, которую и выбирают в качестве эталонной.

Качество адаптации оценивают по мгновенной ошибке e. Однако использовать мгновенную ошибку для синтеза алгоритмов адаптации крайне сложно. Поэтому в блоке алгоритмов адаптации формируют критерий качества в виде

с явно выраженным экстремумом (рис. 10.3). Причем профиль характеристики, положение и значение экстремума меняются с течением времени под действием различных, часто неизвестных причин. Кроме того, в экстремальной

системе экстремальное значение показателя качества Q(xi*) обеспечивается не

157

ющих воздействий на объект.

Структурная схема экстремальной системы со вспомогательной модуляцией показана на рис. 10.6.

159

Низкочастотный фильтр Ф2 не пропускает на выход гармонику удвоен-

ля, который обладает релейной характеристикой и управляет исполнительным механизмом (ИМ) с постоянной скоростью измененияx0. Так как составляющая u2 положительная, то исполнительный механизм увеличивает x0, что соответствует условию dQ / dx > 0 в точке А.

160