16.3. Самонастроювальні і динамічні системи, що самонавчаються, оптимального керування

Розвиток кібернетики, поява й розвиток нових технічних засобів радіоелектроніки, обчислювальної техніки привело до створення й впровадження самонастроювальних і систем, що самонавчаються, автоматичного керування - найбільш прогресивних систем автоматики.

Самонастроювальні системи (СНС) - це системи, у яких у процесі функціонування автоматично змінюються деякі параметри керуючої частини або керуючої частини й об'єкта керування з метою забезпечення заданої якості керування в умовах не стаціонарності об'єкта керування, що задають і обурюють впливів.

Що самонавчаються (само пристосовуються) системи (СОС) - це системи, алгоритм функціонування яких виробляється й удосконалюється в процесі самонавчання під впливом зовнішніх збурювань.

Залежно від умов функціонування передбачається зміна яких-небудь параметрів елементів СНС, її структури, введення логічних елементів, обчислювальних пристроїв, елементів автоматичного пошуку. У СНС керуючі впливи формуються не тільки у функції її координат, але й залежно від стану зовнішнього середовища, що проявляється в змінах впливів, що обурюють, на систему. Елементи самонастроювання покликані істотно підвищити якість керування в умовах важко прогнозованих або взагалі не прогнозованих збурювань. Разом з тим введення самонастроювання істотно здорожує систему, ускладнює її структуру, знижує показники надійності.

Функціональна схема СНС представлена на 16.1, а. Вона складається з основного контуру, утвореного об'єктом керування (ОУ) і регулятором (Р), і контуру самонастроювання, що включає

Рис.16.1. Функціональні схеми самонастроювальної системи керування;

а — з контуром самонастроювання; б — з настроюванням по зовнішніх впливах

у себе ідентифікатор процесу (ИП), пристрій оцінки вхідних сигналів (УОВС), обчислювальний пристрій (ВУ) і виконавчий пристрій (ИУ). Ідентифікатор процесу й УОВСстановлять контролюючу частину, у завдання якої входить виробіток поточної інформації про стан об'єкта й зовнішнього середовища.

ИП призначений для визначення динамічних властивостей об'єкта керування. При цьому найбільш повна оцінка ОУполягає у визначенні його перехідних і частотних характеристик, рівнянь, передатної функції й т.п. У більше простих випадках у завданняИП входить формування окремих показників динаміки ОУ в дискретній формі.

УОВС призначено для аналізу характеру зовнішніх збурювань.

ВУ виробляє або зберігає в пам'яті умова самонастроювання, що у найбільш зробленихСНСє критерієм оптимального керування об'єктом. У найбільш складних системах керування як обчислювальний пристрійвикористовуються електронно-обчислювальні машини, як цифрові, так і аналогові.

ВУ на основі інформації про стан об'єкта й зовнішнього середовища, тобто на основі інформації, що надходить від ИП і УОВС, виробляє вимоги до характеристик регулятора. Інформація з виходу обчислювального пристрою за допомогою виконавчого пристроюИУ перетвориться у вплив на регулятор, забезпечуючи необхідний у цей момент закон керування об'єктом.

Для реалізації самонастроювання регулятор СНС, а іноді й об'єкт мають змінювану частину, що характеризується змінюваними структурою й параметрами.

Найбільш характерною рисою СНСє режим автоматичного пошуку, організуючий з метою виявлення відхилень системи від оптимального стану. Зокрема, такий пошук здійснюється організацією автоматичних пробнихрухівСНС із аналізом вхідних і вихіднихзмінних.

У тих випадках, коли закон зміни характеристик об'єкта для різних моментів часу може бути заздалегідь визначений, можна застосовувати програмне настроювання, що спрощує структуру СНС. Однак у загальному випадку закон зміни характеристик невідомий і потрібно вводити елементи самонастроювання.

По вихідному принципі самонастроювання СНС підрозділяються на системи із самонастроюванням по сигналах зовнішніх впливів; із самонастроюванням по динамічних характеристиках об'єктів; комбіновані, що використовують для самонастроювання сигнали зовнішніх впливів і інформацію про динамічні характеристики об'єктів.

По способі впливу елементів самонастроювання на систему СНС підрозділяються на системи з автоматичним настроюванням параметрів і системи з автоматичним настроюванням структури. Останній тип систем одержав назву що само організуються.

По контурі самонастроювання й по контурі основного зворотного зв'язка СНС можуть бути розімкнутими й замкнутими.

Закінчуючи загальну характеристику самонастроювальних автоматичних систем, відзначимо їх найбільш характерні риси: наявність двох контурів - основного й контуру самонастроювання; включення елементів, здатних у процесі роботи змінювати алгоритм функціонування, параметри, характеристики або структуру, причому ці зміни можуть бути як безперервними, так і дискретними; використання обчислювальних пристроїв для виробітку й зберігання умов самонастроювання (критерію оптимізації); висока чутливість до зміни параметрів що обурюють і управляють впливів; автоматичний пошук оптимального стану при випадкових впливах на систему.

На рис. 16.1, б показана функціональна схема СНС із настроюванням по сигналах зовнішніх впливів. Система міститьпристрій самонастроювання (УСН), що забезпечує приведення системи в режим, оптимальний за обраним критерієм, що у загальному випадку може бути змінним. УСН аналізує вхідний сигнал Хвх, збурювання й перешкоди f і виробляє вплив, під впливом якого змінюються параметри або структура регулятора й об'єкта. По контурі самонастроювання система єрозімкнутої, якщо здійснюються вимір і аналіз зовнішніх впливів. Якщо такого виміру здійснити не можна, то вплив збурювань аналізується по вихідному сигналу Хвих. У цьому випадку система буде замкнутої як по основному контурі, так і по контурі самонастроювання (див. штриховий зв'язокУСН із вихідною величиноюХвих).

У тих випадках, коли збурювання змінюють параметри об'єкта і його динамічних характеристик, самонастроювання здійснюється по динамічних характеристиках об'єктів керування. Для цієї мети широко використовуються динамічні моделі, і самонастроювання здійснюється по характеристиках моделі.

СНС із моделями керованих об'єктів може будуватисяз обчислювачем параметрів об'єктів, з еталонною або підбудовувати^ся моделью, що, заналізатором характеристик об'єкта й по іншими, у тому числі комбінованим принципам.

У СНС із моделлю й обчислювачем параметрів об'єкта керування поточні значення параметрів об'єкта рівняютьсяз параметрами моделей. Такі системи мають відносно складний контур самонастроювання й низьку її швидкість, обумовлену тривалістю обчислень параметрів об'єкта. У зв'язку з этимСНС подібного типу ефективні лише у випадках, коли параметри об'єкта змінюються повільно в порівнянні із тривалістю перехідних процесів у системі.

У самонастроювальних системах з еталонною моделлю (рис.16.2)

/

Рис. 16.2. Самонастроювальна система з еталонною моделлю

характеристики об'єкта керування (ОУ) рівняютьсяз характеристиками еталонної моделі (ЭМ). Вектор стану системи ΔХвизначається за допомогою індентіфікатора процесу керування (ИП), вихідний вектор якого в пристрої порівняння ∑ рівняєтьсяз вектором станухм еталонної моделі. Сигнал неузгодженості ΔХ надходить на пристрій самонастроювання (УСН), що формує впливи, що змінюють параметри або структуру об'єкта керування (ОУ), регулятора (Р), головногозворотногозв'язка (ОС). Залежно від складності системи УСН може здійснювати настроювання по всім трьох зазначеним каналам або по одному з них. У всіх випадках завдання контуру самонастроювання зводиться до приведення системи до оптимального стану за необхідним критерієм функціонування.

У комбінованих самонастроювальних системах використовуютьсяобоє розглянутих вище принципах: самонастроювання по сигналах зовнішніх впливів і самонастроювання по динамічних характеристиках об'єкта. Комбінована СНС також може бути побудована на основі еталонної моделі, але в цьому випадку динамічні характеристики ЭМ не залишаються стабільними, а автоматично змінюються відповідно до змін збурювань f і вхідних впливів Хвх. Для реалізації комбінованого принципу самонастроювання еталонна модель забезпечується додатковим контуром самонастроювання по зміннимХвх і f.

Замість еталонних моделей у СНС для самонастроювання можуть використовуватися аналізатори характеристик об'єкта й обчислювальні пристрої. У цьому випадку обумовлені динамічні характеристики системи рівняються із заданими характеристиками. Як динамічні характеристики, використовуваних для оцінки якості керування в замкнутих системах автоматичного керування, можуть бути перехідні характеристики, імпульсні перехідні характеристики, частотні функції. Із цією метою в СНС передбачаються засоби створення режимів, необхідних для одержання зазначених характеристик.

Рішеннязавдання синтезу контуру самонастроювання включає наступні основні етапи: аналіз причин, що обґрунтовують необхідність самонастроювання; вибір критерію самонастроювання й принципу побудови контуру самонастроювання; розробку алгоритмів ідентифікації об'єкта; визначення закону зміни параметрів, що набудовуються; розробку еталонної моделі або аналізатора характеристик.

Завдання синтезу контуру самонастроювання СНС характеризуються великою складністю, обумовленим не лінійністю об'єкта зізмінними випадковими параметрами, зв'язаними складними залежностями із впливами, що обурюють. Все завданнявирішується у два укрупнених етапи - первинна оптимізація, коли розробляється основний контур, і вторинна оптимізація, пов'язана з розробкою контуру самонастроювання. Первинна оптимізація вирішуєтьсяз використанням раніше розглянутих методів синтезу оптимальних динамічних систем.

У системах, що самонавчаються (СОС) параметри, структура, закон керування змінюються по складних алгоритмах, які вдосконалюються на базі результатів самонастроювання.

Розробка й експлуатація систем, що самонавчаються, тісно пов'язані із проблемою розпізнавання образів. Системи, побудовані на базі розпізнавання образів, одержали назву персептрон (від англ. to percept - сприймати).

Персептронє навчальною системою, що розпізнає, що реалізує кориговане лінійне вирішальне правило в просторі фіксованих, випадково обраних ознак вхідних сигналів. Під вирішальним правилом розуміється алгоритм, що дозволяє за результатами вимірівпевних ознак об'єкта (ситуації) ухвалити рішення щодо значеннях його параметрів, безпосередньо не спостережуваних при вимірах. Рішенням може бути, наприклад, віднесення об'єкта, що цікавить, до того або іншого класу об'єктів по встановленій класифікації.

Принцип розпізнавання образівполягає в тім, щоб побудувати поверхні, що розділяють гіпер простір на кінцеве число областей, кожна з яких має свій образ. Здатність системи до «розпізнавання» означає, що відомі типи об'єктів будуть приписуватися до певного класу, а якщо з'являється невідомий тип, що не ставиться до жодного відомому класу, то йому приписується новий підрозділ гіпер поверхні. Розпізнавання образів після навчання складається в перевірці нових типів, про приналежність яких до певного класу нічого не відомо. Системи, що самонавчаються, функціонують, як правило, на базі ЕОМ.

Забезпечення оптимального керування при неповній інформації про об'єкт керування пов'язане з поняттям дуального керування, тобто такого, у якому керуючі впливи мають двоїстий характер - використовуються для вивчення об'єкта керування й для приведення його в необхідний стан. При цьому процеси вивчення об'єкта керування й процеси керуванняїм тісно зв'язані й утворять єдиний складний двоїстий, або дуальний, процес, що визначає якість функціонування системи керування. У загальному випадку для відшукання оптимальної стратегії дуального керуваннявикористовуються методи динамічного програмування.

Методи рішеннязавдань дуального керуваннязв'язанізі значними труднощами, тому на практиці часто обмежуються відшуканням субоптимальних стратегій шляхом спрощення постановки завдання або звуження класу припустимих стратегій. Зокрема, для деяких типів об'єктів оптимальної може виявитися стратегія, спрямована в кожний момент часу тільки па приведення об'єкта до необхідного стану й не утримуюча в собі спеціальних функцій по вивченню об'єкта.