Адаптивное управление

 

Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке MATLAB. – СПб.: Наука, 1999. – 467с. Глава 12.

Воронов А.А., Титов В.К., Новогранов Б.Н. Основы теории автоматического регулирования и управления. М.: Высшая школа, 1977. – 519с. С. 491 – 499.

Анхимюк В.Л., Опейко О.Ф., Михеев Н.Н. Теория автоматического управления. – Мн.: Дизайн ПРО, 2000. – 352с. С. 328 – 340.

 

 

Необходимость в адаптивных системах управления возникает в связи со значительным усложнением решаемых задач управления, причем специфическая особенность такого усложнения заключается в отсутствии практической возможности для подробного изучения и описания процессов, протекающих в управляемом объекте.

Например, современные высокоскоростные летательные аппараты, точные априорные данные о характеристиках которых во всех условиях функционирования не могут быть получены из-за значительных разбросов параметров атмосферы, больших диапазонов изменения скоростей полета, дальностей и высот, а также из-за наличия широкого спектра параметрических и внешних возмущений.

Некоторые объекты управления (самолеты и ракеты, технологические процессы и энергетические установки) отличаются тем, что их статические и динамические характеристики изменяются в широких пределах непредвиденным заранее образом. Оптимальное управление такими объектами возможно с помощью систем, в которых недостающая информация автоматически пополняется самой системой в процессе работы.

Адаптивными (лат.”adaptio” – приспособление) называются такие системы, которые при изменении параметров объектов или характеристик внешних воздействий в процессе эксплуатации самостоятельно, без участия человека изменяют параметры регулятора, его структуру, настройку или регулирующие воздействия для поддержания оптимального режима работы объекта.

Создание адаптивных систем управления осуществляется в принципиально иных условиях, т.е. адаптивные методы должны способствовать достижению высокого качества управления при отсутствии достаточной полноты априорной информации о характеристиках управляемого процесса или в условиях неопределенности.

 

Классификация адаптивных систем:

 

 

Самоприспосабливающиеся

(адаптивные)

системы управления

 

Самоорганизующиеся системы

Самонастраивающиеся Самообучающиеся Системы с адаптацией

системы системы в особых фазовых

состояниях

 

 

Поисковые Беспоиско- Обучающие- Обучающие- Релейные Адаптивные

(экстремаль- вые (анали- ся с поощре- ся без автоколеба- системы с

ные) тические) нием поощрения тельные переменной

системы системы системы структурой

 

 

Структурная схема классификации АС (по характеру процесса адаптации)

 

Самонастраивающиеся системы (СНС) представляют собой системы, в которых адаптация при изменении условий работы осуществляется путем изменения параметров и управляющих воздействий.

Самоорганизующимися называются системы, в которых адаптация осуществляется за счет изменения не только параметров и управляющих воздействий, но и структуры.

Самообучающаяся – это система автоматического управления, в которой оптимальный режим работы управляемого объекта определяется с помощью управляющего устройства, алгоритм которого автоматически целенаправленно совершенствуется в процессе обучения путем автоматического поиска. Поиск производится с помощью второго управляющего устройства, являющегося органической частью самообучающейся системы.

В поисковых системах изменение параметров управляющего устройства или управляющего воздействия осуществляется в результате поиска условий экстремума показателей качества. Поиск условий экстремума в системах этого типа осуществляется с помощью пробных воздействий и оценки полученных результатов.

В беспоисковых системах определение параметров управляющего устройства или управляющих воздействий производится на основе аналитического определения условий, обеспечивающих заданное качество управления без применения специальных поисковых сигналов.

Системы с адаптацией в особых фазовых состояниях используют особые режимы или свойства нелинейных систем (режимы автоколебаний, скользящие режимы) для организации контролируемых изменений динамических свойств системы управления. Специально организованные особые режимы в таких системах либо служат дополнительным источником рабочей информации об изменяющихся условиях функционирования системы, либо наделяют системы управления новыми свойствами, за счет которых динамические характеристики управляемого процесса поддерживаются в желаемых пределах независимо от характера возникающих при функционировании изменений.

При применении адаптивных систем решаются следующие основные задачи:

1. В процессе функционирования системы управления при изменении параметров, структуры и внешних воздействий обеспечивают такое управление, при котором сохраняются заданные динамические и статические свойства системы;

2. В процессе проектирования и наладки при начальном отсутствии полной информации о параметрах, структуре объекта управления и внешних воздействиях производят автоматическую настройку системы в соответствии с заданными динамическими и статическими свойствами.

 

Пример 1. Адаптивная система стабилизации углового положения ЛА.

 

f₁(t) f₂(t) f₃(t)

^{Д1 Д2 Д3}

_{ВУ1 ВУ2 ВУ3} f(t) f₁(t) f₂(t) f₃(t)

u(t) W₁(p) W₀(p) ^y(t)

⁺ -

 

Рис. 1.

 

Приспосабливающаяся система стабилизации ЛА

При изменении условий полета меняется передаточная функцияW₀(p) ЛА, а, следовательно, и динамическая характеристика всей системы стабилизации:

. ₍₁₎

Возмущения со стороны внешней среды f₁(t),f₂(t),f₃(t), приводящие к контролируемым изменениям параметров системы, приложены к различным точкам объекта.

Возмущающее воздействие f(t), приложенное непосредственно к входу объекта управления, в отличие от f₁(t),f₂(t),f₃(t) не меняет его параметров. Поэтому в процессе работы системы измеряют только f₁(t),f₂(t),f₃(t).

В соответствии с принципом обратной связи и выражением (1) неконтролируемые изменения характеристики W₀(p) из-за возмущений и помех вызывают сравнительно небольшие изменения параметров Ф(p).

Если поставить задачу более полной компенсации контролируемых изменений, чтобы передаточная функция Ф(р) системы стабилизации ЛА оставалась практически неизменной, то следует надлежащим образом изменить характеристику регулятора W₁(p). Это и осуществляется в приспосабливающейся САУ, выполненной по схеме рис.1. Параметры внешней среды, характеризуемые сигналами f₁(t),f₂(t),f₃(t), например давление скоростного напора P_H(t), температура окружающего воздуха T⁰(t) и скорость полёта υ(t), непрерывно измеряются датчиками Д₁, Д₂, Д₃, и текущие значения параметров поступают в вычислительные устройства В_1, В₂,В₃, вырабатывающие сигналы, с помощью которых подстраивается характеристика W₁(p), чтобы компенсировать изменения характеристикиW₀(p).

Однако, в АСАУ данного типа (с разомкнутым циклом настройки) отсутствует самоанализ эффективности осуществляемых ею контролируемых изменений.

 

 

Пример 2. Экстремальная система управления скоростью полета ЛА.

 

Z Возмущающее

воздействие

X₃=X₀-X₂

Устройство авто- X₀ Усилительно- X₄ Исполнительное X₅ Регулируемый X₁

матического по- преобразователь- устройство объект

иска экстремума + - ное устройство

 

X₂

Измерительное

устройство

 

 

Рис.2.Функциональная схема экстремальной системы управления скоростью полета ЛА

 

Экстремальная система определяет наивыгоднейшую программу, т.е. то значение X₁ (требуемая скорость движения ЛА), которое нужно в данный момент выдерживать, чтобы производился минимум расхода горючего на единицу длины пути.

Z - характеристика объекта; X₀ - управляющее воздействие на систему.

Z

(величина расхода горючего)

 

X₀