Специальные виды САУ

Размещено на http://www.allbest.ru/

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ САУ

1 Управление при неполной начальной информации

Если статические и динамические характеристики объекта управления и характеристики возмущающих воздействий известны, то для управления такими объектами можно применить управляющее устройство с заданным законом управления. Такие системы относятся к системам с полной начальной информацией об управляемом объекте.

Часто характеристики управляемого объекта и действующих на него возмущений изменяются с течением времени значительно и заранее непредвиденным образом. Примерами таких объектов являются самолет или ракета, параметры которых существенно изменяются при изменении высоты, скорости полета и расхода горючего.

Кроме того, имеются такие объекты, динамические характеристики которых заранее практически неизвестны или не могут быть достаточно просто определены. В этих случаях одной исходной информации недостаточно для управления. Системы управления такими объектами относятся к системам с неполной исходной информацией об управляемом объекте. В этом случае, чтобы качественно управлять объектом, необходимо автоматически в процессе работы пополнять информацию об объекте и возмущающих воздействиях.

Информацию, необходимую для управления и получаемую в процессе работы системы, называют рабочей или текущей.

Системы управления, в которых способ функционирования управляющего устройства автоматически целенаправленным образом изменяется для осуществления наилучшего управления объектом, называют адаптивными, или самоприспосабливающимися.

Автоматическое изменение способа функционирования управляющего устройства называют адаптацией, или настройкой. Настройка осуществляется путем изменения параметров, структуры и алгоритма управления. В адаптивных САУ необходимо иметь устройство для пополнения информации об управляемом объекте и возмущающих воздействиях, а также устройство для осуществления настройки системы.

Адаптивные системы, у которых целенаправленно изменяются параметры управляющего устройства, самонастраивающимися; если изменяются параметры и структура управляющего устройства, то системы называются самоорганизующимися; если параметры, структура и алгоритм управления меняются с использованием опыта функционирования системы, то системы называются самообучающимися. Простейшим видом самонастраивающихся систем (СНС) являются системы экстремального управления (СЭУ).

2. Экстремальные системы автоматического управления

Экстремальными называют системы, которые в процессе работы автоматически отыскивают такие управляющие воздействия на входе управляемого объекта, при которых обеспечивается непрерывное поддержание показателя качества системы вблизи его экстремального значения.

Основная особенность данных систем состоит в том, что управление в них осуществляется не путем компенсации частных рассогласований (отклонений) в системе, а целенаправленным воздействием на систему с учетом некоторой функции ее состояния - показателя качества системы управления.

Системы экстремального управления сложнее обычных САУ, и их целесообразно применять, если ОУ имеет достаточно ясно выраженный экстремум показателя качества, который существенно зависит от управляющих воздействий и внешних условий.

Показателем качества в системах экстремального управления (СЭУ) могут быть различные величины. Например, для системы управления металлорежущим станком таким показателем может являться производительность, которая определяется массой стружки, снимаемой резцом в единицу времени, при условии, что температура резца и детали не превысит заданного уровня.

В настоящее время имеется большое количество видов экстремальных систем, и классификацию их можно проводить по различным признакам.

По источнику колебаний, используемых для вычисления градиента функции (по способу поиска) СЭУ подразделяются на системы с автоколебательным и принудительным поиском экстремума.

Если поисковые колебания генерируются самой системой, СЭУ называют экстремальной системой с автоколебательным поиском экстремума. Если поисковые колебания вводятся от источника, специально предусмотренного для этой цели, то СЭУ называют экстремальной системой с принудительным поиском экстремума.

По количеству переменных, от которых зависит функция качества, СЭУ подразделяются на одномерные и многомерные. Возможна также классификация СЭУ по методу определения градиента, метода движения к экстремуму, а также по другим признакам.

3. Самонастраивающиеся системы

Основное отличие самонастраивающихся систем (СНС) от систем автоматического управления (САУ) с жесткими, неизменными алгоритмами работы состоит в том, что в них при изменении динамических характеристик объекта и характера входных воздействий автоматически, но не по заданному заранее закону, изменяются параметры управляющего устройства для обеспечения заданного или экстремального значения показателя качества. В СНС могут изменяться коэффициенты усиления, постоянные времени инерционных звеньев и другие параметры. Настройка параметров осуществляется при помощи специальной цепи (контура) настройки, то есть СНС имеет как минимум два контура.

По функциональному назначению СНС могут быть системами стабилизации, следящими системами и системами программного управления. Назначение системы определяет показатель качества ее работы. Показателями эффективности работы СНС могут быть точность управления, быстродействие и другие показатели качества, применяемые для оценки работы обычных систем автоматического управления (САУ).

В процессе работы СНС можно выделить следующие четыре задачи:

1) получение информации о динамических характеристиках ОУ;

2) формирование показателя качества системы;

3) сравнение величины качества системы с требуемым значением показателя качества и выработка управляющего воздействия;

4) изменение (настройка) параметров управляющего устройства для обеспечения требуемого показателя качества.

Решение этих четырех задач в конкретных СНС может осуществляться разными способами.

Получение информации о характеристиках управляемого объекта может происходить в условиях нормального функционирования, то есть при естественных входных воздействиях, или путем подачи на вход системы или объекта специальных пробных сигналов, например, подавая гармонические колебания разных частот, можно получить точки АЧХ. В этом случае для организации пробных движений необходимо иметь специальное устройство (генератор пробных сигналов), что приводит также к дополнительным затратам энергии; однако при этом время, необходимое для получения информации, меньше, чем при первом способе.

Существуют различные способы формирования параметров настройки по показателю качества СНС. Например, можно выделить системы с настройкой параметров по эталону (модели) и с экстремальной настройкой.

В системах с настройкой параметров по модели целью настройки является обеспечение близости динамических характеристик объекта и модели. В качестве модели используется вычислительное устройство, которое обеспечивает требуемую зависимость выходного сигнала от входного воздействия.

В системах с экстремальной настройкой параметры управляющего устройства изменяют так, чтобы показатель качества системы достиг экстремального значения. По способу получения информации о текущем значении показателя качества самонастраивающиеся системы подразделяются на поисковые и беспоисковые (аналитические).

Самонастраивающиеся системы с экстремальной настройкой параметров по характеру работы корректирующих цепей можно разделить на системы с разомкнутыми и замкнутыми цепями настройки. Самонастраивающиеся системы с разомкнутыми цепями относительно просты и позволяют быстро отреагировать на измеряемые возмущения. Недостатком СНС с разомкнутыми цепями настройки является невозможность учета и измерения всех возмущающих воздействий.

4. Самоорганизующиеся и самообучающиеся САУ

В самоорганизующихся системах по заданному показателю качества система, путем автоматического поиска, используя специальные вычислительные устройства - анализаторы, выбирает из нескольких возможных структур ту, которая обеспечивает экстремальное значение показателя качества. В таких системах изменение структуры может осуществляться непрерывно или периодически.

При проектировании в самоорганизующейся системе предусматривается возможность автоматически из отдельных элементов собирать структуру системы, которая обеспечивает экстремум заранее заложенного в систему критерия качества.

В самообучающихся системах структура и алгоритм управления на основе накопленного опыта постепенно совершенствуются. В начальный период использования после изготовления они практически совсем не приспособлены к работе, однако затем постепенно «учатся» решать поставленные перед ними задачи. В таких системах вначале используются любой случайный алгоритм управления и любая случайная структура. Если данный вариант системы не решил задачу, то система перестраивается и выбирает другой вариант работы, и т. д. Если, наконец, выбранный очередной вариант структуры или алгоритм привел к решению поставленной задачи, то он запоминается. Если в процессе обучения в систему вводится дополнительная информация, то говорят, что система обучается учителем. Учителем называют любой источник дополнительной внешней информации независимо от его физической природы. Учителем САУ может быть человек или другая САУ. Если система в процессе работы улучшает свое функционирование только на основе исследования рабочей информации, то говорят, что она обучается без учителя, то есть самообучается. Самообучающиеся системы - наиболее совершенные и наиболее сложные автоматические системы управления (АСУ).

5. Автоматизированные СУ

Существует большое количество объектов, управление которыми необходимо осуществлять совместными действиями человека и технических устройств, то есть использовать человеко-машинную систему управления. Системы управления, в контуре управления которых для реализации цели системы совместно функционируют человек (человеческие коллективы) и технические средства переработки информации, называют автоматизированными системами управления (АСУ).

В качестве основного технического средства переработки информации в АСУ используется ЭВМ.

Распределение функций по управлению объектом между человеком и ЭВМ может осуществляться различными способами. На ЭВМ в АСУ возлагаются функции подготовки информации, необходимой для выбора рационального управляющего воздействия. Принятие решения, как правило, остается за человеком.

Человек может выполнять различные функции в АСУ, или, как говорят, может быть несколькими способами включен в контур управления.

По виду объекта управления АСУ принято делить на системы управления технологическими процессами (АСУТП) и системы организационного управления (АСОУ).

Объектом управления в АСУТП является технологический процесс в широком смысле этого понятия (управление станком, поездом, ракетой, энергетической установкой). Такая система выполняет не отдельные операции, а весь комплекс операций по управлению процессом. Она осуществляет пуск и остановку агрегата, выбор оптимального режима ведения процесса, определение сроков проведения ремонта и профилактических осмотров, а также проводит расчет комплекса технико-экономических показателей ведения управляемого процесса.

Основная задача автоматизированных систем организационного управления состоит в обеспечении оптимальных условий функционирования ОУ (завода, отрасли) путем оптимального распределения заданий между отдельными частями, из которых состоит объект (цехами, службами), и обеспечении их эффективного взаимодействия.

В зависимости от вида объекта управления АСОУ подразделяют на автоматизированные системы управления предприятиями и автоматизированные системы управления отраслью народного хозяйства. По функциональному назначению АСОУ выделяют:

1) автоматизированные системы плановых расчетов;

2) автоматизированные системы управления строительством;

3) автоматизированные системы управления материально-техническим снабжением.

В АСУ широкое распространение приобрел принцип иерархии. Использование иерархического принципа позволяет сложную задачу управления разбить на совокупность более простых задач и использовать для управления более простые и, следовательно, более дешевые и надежные управляющие устройства. При организации системы по иерархическому принципу важно правильно согласовать цели, стоящие перед каждым уровнем управления. Необходимо, чтобы при достижении цели на нижнем уровне обеспечивалось приближение к цели, стоящей перед системой в целом.

Одной из важных особенностей Асу является то, что параметры ОУ в процессе функционирования системы существенно изменяются, причем часто заранее непредвиденным образом, то есть их можно считать случайными функциями времени. Для того, чтобы АСУ эффективно выполняла возложенные на нее задачи, она должна приспосабливаться к изменениям внешней среды и характеристик ОУ, то есть быть адаптивной системой. Такую систему необходимо проектировать как самоорганизующуюся и самообучающуюся, то есть адаптивную.

АСУ, как правило, предназначены для обеспечения оптимального управления объектом. Задачи управления, возникающие в АСУТП, могут быть описаны и решены при помощи моделей и методов оптимизации управления, используемых в САУ. Однако для управления используют некоторые специфические модели и методы - так называемые методы и модели исследования операций.

К этим методам относятся методы линейного, нелинейного и стохастического программирования, методы теории игр, теории массового обслуживания, теории расписаний и другие.

6. Оптимальные САУ

Для проектирования оптимальной САУ необходима полная информация об ОУ, возмущающих и задающих воздействиях, начальном и конечном состояниях ОУ, после чего выбирается критерий оптимальности. В качестве такого критерия можно использовать один из показателей качества системы. Однако требования к отдельным показателям качества, как правило, противоречивы. Кроме того, оптимальная система должна иметь минимально возможную ошибку не только при обработке какого-то конкретного управляющего воздействия, но в течение всего времени работы системы. Следует также учитывать, что решение задачи оптимального управления зависит не только от структуры системы, но и от параметров составляющих ее элементов. Достижение оптимального функционирования САУ во многом определяется тем, как осуществляется управление во времени, какова программа, или алгоритм управления. В связи с этим для оценки оптимальности систем используют интегральные критерии, вычисляемые как сумма значений интересующего проектировщиков параметра качества системы за все время процесса управления.

В зависимости от принятого критерия оптимальности рассматривают следующие виды оптимальных систем:

1) системы, оптимальные по быстродействию;

2) системы, оптимальные по расходу ресурсов;

3) системы, оптимальные по потерям управления.

Для решения задач оптимизации разработаны специальные методы вариационного исчисления (метод максимума, метод динамического программирования), позволяющие учесть все ограничения реальных систем.

Как и обычные системы, оптимальные системы бывают разомкнутыми, замкнутыми и комбинированными.

7. Адаптивные САУ

Обычные неадаптивные САУ обеспечивают заданные показатели качества управления лишь при заранее известных и неизменных внешних воздействиях и характеристиках ОУ. Однако во многих случаях условия работы САУ или неизвестны, или меняются случайным образом. Типичным примером является летательный аппарат, параметры которого (масса, моменты инерции) и возмущающие воздействия (скорость и направление ветра, давление и температура воздуха) в процессе полета изменяются в широких пределах. Другими примерами является большинство технологических процессов химии и нефтехимии (перегонка нефти, производство бензина), металлургии (выплавка стали), микробиологии (получение антибиотиков) и другие. В некоторых случаях обеспечить управление подобными объектами можно путем разработки САУ с большими запасами по диапазону управляемых величин, быстродействию, мощности и т. д. В других случаях можно вручную производить настройку САУ человеком-оператором по мере изменения внешних условий. Радикальным путем обеспечения автоматического управления в таких случаях является введение в САУ возможности самонастройки, или адаптации.

Адаптивными называются системы, которые решают задачи управления в условиях неопределенных или переменных внешних воздействий или параметров ОУ путем автоматической самонастройки. Различают адаптивные системы со стабилизацией и с оптимизацией качества управления.

Адаптивные САУ со стабилизацией качества управления вычисляют текущее значение критерия качества, и сравнивают его с заданным значением и в зависимости от знака отклонения производят перестройку в ту или иную сторону. Основное применение системы этого типа получили для стабилизации динамических характеристик, поэтому в качестве критериев качества используют различные косвенные критерии переходного процесса - корневые, частотные, интегральные, а также непосредственно частотные и переходные характеристики ОУ.

В адаптивных САУ с оптимизацией качества управления, требуемое значение качества управления не задано, его необходимо найти самой системе. Вследствие этого в экстремальных адаптивных системах, кроме задач идентификации и настройки, появляется еще задача поиска экстремального значения, предшествующая рабочей операции - настройке основного контура. В экстремальных адаптивных системах точка экстремума непостоянна, поэтому поиск ее надо осуществлять автоматически.

Экстремальные адаптивные САУ классифицируют в зависимости от способа поиска экстремума.

8. Поисковые САУ

Системы экстремального управления, или поисковые системы, осуществляют автоматический поиск оптимального управления, обеспечивающего экстремум некоторого показателя качества, представляющего функцию переменных состояния системы.

Величина и направление отклонений от экстремума предварительно не измеряются и должны быть установлены в процессе работы системы.

Благодаря этой особенности СЭУ выполняют две функции: поиск экстремума и слежение за ним.

Системы экстремального управления подразделяются в зависимости от принципа, положенного в основу их функционирования, на одномерные и многомерные. автоматический самонастраивающийся устройство

Одномерными называются СЭУ, работа которых характеризуется показателем качества, зависящим от одной выходной координаты системы. Многомерными называются СЭУ, у которых воздействие самонастройки и показатель качества управляемого процесса при изменении управляющего воздействия должен иметь экстремум.

Экстремальные системы позволяют обеспечить поддержание показателя качества процесса на экстремальном значении не только при первоначальной настройке, но и при сдвиге экстремума в процессе работы.

По способу функционирования СЭУ подразделяются на системы: с запоминанием экстремума; реагирующие на знак и величину производной (с измерением производной); с непрерывным поисковым сигналом; шагового типа.

Размещено на Allbest.ru