1-3. САМОНАСТРАИВАЮЩИЕСЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Самонастраивающимися системами автоматического управления согласнр принятым выше классификационным признакам называются системы управления, не требующие для своего построения и функционирования полной начальной информации об управляемом процессе.
Несколько более строгое определение самонастраивающихся систем автоматического управления заключается в следующем. Самонастраивающейся называется такая система автоматического управления, которая при прочих равных условиях для обеспечения заданной точности управления требует меньшей начальной информации, чем обыкновенная система.
Самонастраивающиеся системы — это такие системы, которые обладают способностью в той или иной мере приспосабливаться к изменяющимся внешним условиям.
Именно благодаря этой, хотя бы весьма малой способности приспособления самонастраивающиеся системы не требуют полной начальной информации о свойствах управляемого процесса. Действия по управлению объектом сочетаются в них с неятрерывными или периодическими испытаниями объекта. За счет этих испытаний восполняется недостаток начальной информации.
Самонастраивающиеся системы — быстро развивающийся класс автоматических систем. Принципы построения подклассов систем в настоящее время только формируются. В рассматриваем классификации самонастраивающиеся системы автоматического управления разделены на три основных подкласса:
1) системы экстремального регулирования;
2) системы регулирования с самонастраивающимися корректирующими устройствами;
3) самооптимизирующиеся системы автоматического управления.
а) Системы экстремального регулирования
Рабочей информацией в системах экстремального регулирования являются отклонения от экстремума некоторой функции одной или нескольких переменных. Для пояснения принципа работы системы вновь обратимся к простейшему аналогу из области неавтоматического управления.
Допустим, что осуществляется настройка радиоприемника на радиостанцию. Принимаемый сигнал имеет острый максимум при совпадении частоты настройки с частотой радиостанции. Если частота станции и настройки точно не известны, то оператор вначале осуществляет «слепой» поиск, изменяя, настройку в широких пределах. Обнаружив сигнал желаемой радиостанции, оператор путем поисковых двусторонних отклонений отыскивает настройку, при которой принимаемый сигнал максимален. Если настройка под действием возмущающих факторов изменяется относительно быстро или если изменяется частота принимаемого сигнала, то поисковые колебания приходится осуществлять непрерывно или периодически. Наблюдая за реакцией на поисковые колебания, оператор определяет знак отклонения от экстремума и, изменяя настройку, поддерживает принимаемый сигнал на экстремальном уровне.
В автоматических системах экстремального регулирования те же операции выполняются экстремальным регулятором. Схема одномерной автоматической системы экстремального регулирования с вынужденными колебаниями поиска приведена на (рис. 1-9. Отклонение от точки экстремума измеряется в подобных системах специальными устройствами, рассмотренными в гл. 19:
Системы экстремального регулирования относятся к классу самонастраивающихся систем, так как для построения и функционирования экстремальной системы достаточна неполная начальная информация. Действительно, для построения системы экстремального регулирования знание точного положения экстремума необязательно. Достаточно наличие самого экстремума и грубо приближенное знание вида экстремальной функции. Система сама в процессе поиска добывает недостающую информацию о положении экстремума.
Рабочая информация экстремальных систем автоматического регулирования не содержит информации о факторах, вызывающих смещение экстремума, а включает лишь информацию об отклонениях от точки экстремума.
Системы экстремального регулирования получают широкое
Рис. 1-9. Схема одномерной автоматической системы экстремального регулирования с вынужденными колебаниями поиска.
распространение в промышленности, так как во многих производственных процессах важно обеспечить экстремум таких показателей, как производительность, к. п. д., экономичность и т. д. Так, например, во многих процессах химической промышленности существуют острые максимумы количества получаемого продукта по дозировке исходных продуктов. Применение экстремального регулирования дозировки дает здесь резкое повышение производительности и экономичности.
Устройства, обеспечивающие автоматическое определение экстремума функции и функционалов, получили йбщее название оптимизаторов.
б) Системы с самонастраивающимися корректирующими устройствами
Этот подкласс систем позволяет обеспечить устойчивость и требуемое качество процесса регулирования в условиях изменения и неполного знания свойств регулируемого объекта.
Системы автоматического регулирования с самонастраивающимися корректирующими устройствами в данной классификации подразделяются на три группы (рис. 1-1): с разомкнутыми цепями настройки, с замкнутыми цепями настройки и автоматическим контролем характеристик объекта и с экстремальной настройкой корректирующих устройств.
Рис. 1-10. Схема системы автоматического регулирования с разомкнутыми цепями настройки корректирующих устройств.
Системы с разомкнутыми цепями настройки корректирующих устройств. Рабочей информацией здесь, помимо обычной (для систем с замкнутым основным контуром) информации об отклонениях регулируемых величин, является информация о возмущающих факторах, влияющих на параметры регулируемого объекта. Системы этого типа работают по принципу компенсации влияния указанных возмущающих факторов. Для пояснения принципов работы этой группы систем приведем пример неавтоматической настройки регулятора (рис. 1-10).
Пусть имеется генератор, напряжение которого стабилизируется автоматическим регулятором, работающим по принципу отклонений. Регулятор состоит из измерителя отклонений, корректирующего устройства — в простейшем случае простого реостата регулировки усиления, и исполнительного устройства (рис. 1-10).
При неизменных свойствах генератора указанным реостатом можно настроить регулятор так, что будет обеспечено необходимое качество процесса регулирования. Однако при изменении свойств генератора, например, за счет действия некоторого возмущающего фактора 
неизменная настройка регулятора приводит к потере устойчивости или необходимого качества процесса регулирования.
В этих условиях можно установить специальный измеритель И возмущающего фактора и в соответствии с его показаниями изменять настройку регулятора. Если это выполнять автоматически, то мы получим систему регулирования с разомкнутыми цепями настройки корректирующих устройств.
Непосредственно из сопоставления схемы системы с разомкнутыми щепями настройки корректирующих устройств со схемой комбинированной системы (рис. 1-8) ясна определенная аналогия между этими системами. Различие заключается в том, что в системе с
настройкой корректирующих устройств компенсируется параметрическое воздействие на объект, т. е. такое воздействие, которое меняет параметры объекта, а не только координаты — регулируемые величины. Компенсация производится здесь за счет лараметрического воздействия на регулятор.
Системы регулирования с разомкнутыми цепями настройки корректирующих устройств отнесены к самонастраивающимся системам, так как они требуют меньшей начальной информации о параметрах регулируемого объекта, чем обыкновенные системы. Однако необходимый объем рабочей информации в этих системах выше, чем в аналогичных системах без самонастройки корректирующих устройств, так как здесь требуется измерение возмущающих факторов, влияющих на свойства объекта. Получение этой дополнительной рабочей информации во многих случаях встречает большие трудности.
Системы регулирования с разомкнутыми цепями настройки корректирующих устройств наиболее просты и давно практически используются, но это наименее совершенный тип систем с самонастраивающимися корректирующими устройствами.
Системы с замкнутыми цепями настройки корректирующих устройств и автоматическим контролем характеристик объекта. Помимо обычной рабочей информации для систем регулирования, работающих по принципу отклонений, здесь используется информация об отклонениях переходных процессов в основном контуре.
Переходные процессы или другие динамические характеристики замкнутой системы контролируются при помощи вынужденных колебании, создаваемых либо специальными пробными сигналами, либо естественными возмущающими силами.
Обратимся к схеме, представленной на рис. 1-11. Б некоторой точке системы исполнительное устройство—объект действуют искусственно создаваемые пробные сигналы.
Рис. 1-11. Схема системы автоматического регулирования с замкнутыми цепями настройки корректирующих устройств,
Реакция системы на эти пробные сигналы контролируется специальным устройством (на схеме — блоком контроля динамических характеристик замкнутой системы).
Если динамические характеристики замкнутой системы соответствуют заданным, то изменение настройки корректирующего устройства не производится. Если имеются отклонения характеристик замкнутой системы от заданных, то соответственно изменяется настройка корректирующего устройства.
Системы регулирования с замкнутыми цепями настройки корректирующих устройств более совершенны по сравнению с предыдущим видом, так как не требуют рабочей информации о возмущающих факторах.
Системы с экстремальной настройкой корректирующих устройств. В этих системах дополнительной рабочей информацией является информация об отклонениях качества процесса регулирования от экстремума этого качества.
Для пояснения принципа действия обратимся к схеме рис. 1-12. Качество процессов регулирования характеризуется некоторой оценкой качества. Эта оценка вычисляется специальным устройством, в которое поступают пробные сигналы, подаваемые также на основной контур, и реакция основного контура на пробные сигналы. Далее система строится по принципу поиска экстремума качества,
Рис. 1-12. Схема системы автоматического регулирования с экстремальной настройкой корректирующих устройств.
измеряемого указанным устройством. Для этого на корректирующее устройство воздействуют специальные колебания поиска, и средние значения параметров настройки в установившемся режиме поддерживаются такими, чтобы оценка качества имела значение, близкое к экстремальному.
в) Самооптимизирующиеся системы
Третий подкласс самонастраивающихся систем назван в рассматриваемой классификации самооптимизирующимися системами. Чтобы подчеркнуть отличие этих систем от только что рассмотренных, отметим следующее. Оценки качества процесса регулирования, применяемые в системах с самонастраивающимися корректирующими устройствами, всегда являются некоторыми средними оценками по отношению к каждому единичному переходному процессу в основном контуре. Время самонастройки корректирующих устройств в этих системах (за исключением систем с разомкнутыми цепями самонастройки) обычно больше времени переходного процесса в основном контуре. Между тем в ряде случаев возникает задача оптимизации каждого единичного переходного процесса за время, меньшее времени протекания этого процесса. Например, во многих случаях возникает задача оптимизации траектории полета управляемого самолета или ракеты за время, естественно, меньшее времени этого пюлета.
Группу самонастраивающихся систем, оптимизирующих движение за время, меньшее времени протекания этого движения, назовем самооптимизирующимися системами. Рабочей информацией в самооптимизирующихся системах служат отклонения управляемого движения от оптимального в некотором смысле. Необходимая начальная информация в самооптимизирующихся системах является неполной.
