1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АНАЛИТИЧЕСКИХ САМОНАСТРАИВАЮЩИХСЯ СИСТЕМ

Аналитические самонастраивающиеся системы могут быть разомкнутыми и замкнутыми. Но как в том, так и в другом случае они имеют средства для первичной оптимизации, определяющие текущий оптимальный режим и корректировку динамических свойств основного контура управления путем изменения его параметров.

В замкнутых системах, кроме того, имеются средства для вторичной рптимизации, осуществляющие контроль отклонения истинного режима работы системы от текущего оптимального и выполняющие дополнительную корректировку динамических свойств основного контура управления.

Таким образом, контролируемые изменения параметров основного контура управления аналитических самонастраивающихся систем осуществляются цепями самонастройки по разомкнутому, замкнутому или разомкнуто-замкнутому циклу.

В соответствии с двумя основными причинами, вызывающими необходимость самонастройки (неполнота априорной информации о внутренних и внешних условиях работы), будем различать системы: самонастраивающиеся по внешним воздействиям; системы, самонастраивающиеся по динамическим свойствам объекта регулирования, и системы, самонастраивающиеся как по внешним воздействиям, так и по динамическим свойствам объекта.

Рис. XX. 1. Системы, самонастраивающиеся по внешним воздействиям: а — разомкнутая система; б — замкнутая система

Рассмотрим структурные схемы алгоритмов и принципы действия аналитических самонастраивающихся систем.

Системы, самонастраивающиеся по внешним воздействиям. Разомкнутые системы (рис. XX. 1, а). На систему воздействует полезный сигнал и возможно помехи

Изменение динамических свойств системы осуществляется управляемыми корректирующими фильтрами параметры которых формируются цепями самонастройки по разомкнутому циклу. Эти цепи работают по следующей схеме: в устройстве 1 определяются неизвестные параметры внешних воздействий или их характеристик, которые далее используются в устройстве 2

для вычисления параметров оптимальной модели системы. Последние служат для определения в устройстве 3 настраиваемых параметров корректирующего фильтра.

Замкнутые системы (рис. XX. 1,6). Здесь параметры корректирующего фильтра управляются цепями самонастройки по замкнутому циклу. Каждая цепь имеет вычислитель ошибки в настройке соответствующего параметра (устройство 1) и управляющий элемент 2. Ошибка вырабатывается на основе текущих значений переменных и характеризует отклонение настраиваемого параметра от его оптимального значения.

Рис. XX.2. Системы, самонастраивающиеся по динамическим характеристикам объекта регулирования по разомкнутому циклу: а — система с идентификацией; б — программная система

Управляющий элемент, изменяя настраиваемый параметр, сводит ошибку к минимуму.

Системы, самонастраивающиеся по динамическим характеристикам объекта регулирования. Свойства системы, которые мы хотим получить, задаются ее желаемой моделью, которая представлена в ней в явном или неявном виде. Динамические свойства желаемой модели могут быть переменными во времени.

Разомкнутые системы. Системы с идентификацией. Корректирующий фильтр системы (рис. XX.2, а), основной контур управления которой линейный, может быть представлен явно или неявно в виде последовательного соединения желаемой модели прямой цепи (М) и обратной модели объекта регулирования (ОМ).

Задача цепей самонастройки по разомкнутому циклу состоит в том, чтобы, вычислив текущие динамические характеристики объекта (устройство 1), найти и далее ввести в корректирующий фильтр параметры обратной модели объекта (устройство 2). Отличительная особенность разомкнутой самонастраивающейся системы состоит в том, что корректирующий фильтр, параметры которого настраиваются, находится вне цепи, текущие характеристики которой измеряются (см. рис. XX.2,а).

Системы программные (рис. XX.2,б). Этот тип систем может применяться в тех случаях, когда известны зависимости параметров объекта регулирования от внешних условий работы системы (например, зависимость характеристик летательного аппарата от скорости полета, плотности воздуха и т. д.).

Рис. XX.3. Системы, самонастраивающиеся но динамическим характеристикам объекта регулирования по замкнутому циклу: а — система с идентификацией объекта управления и корректирующего фильтра; б — инвариантная самонастраивающаяся система

Располагая датчиками, измеряющими внешние условия (например, скоростной напор), возможно вычислить параметры корректирующего фильтра по формулам, составленным на этапе проектирования системы. Эти вычисления производятся в устройстве 1 по разомкнутому циклу.

Замкнутые системы. Системы с идентификацией объекта регулирования и корректирующего фильтра (рис. ХХ.3, а). Отличительная особенность этих систем состоит в том, что в процессе работы определяются динамические характеристики цепи, включающей переменный объект регулирования и корректирующий фильтр; эту функцию выполняет устройство 1. Устройство 2 содержит цепи настройки параметров корректирующего фильтра по замкнутому циклу. Ошибки цепей, самонастройки по замкнутому циклу формируются на основе текущих значений параметров, выдаваемых устройством 1, и известных параметров желаемой модели разомкнутой системы М.

Разновидностью систем с идентификацией объекта регулирования и корректирующего фильтра следует считать так

называемые инвариантные самонастраивающиеся системы [8] (рис. XX.3, б). Цель самонастройки этих систем состоит в том, чтобы исключить влияние внешнего возмущения на выходную координату системы в условиях изменяющихся динамических свойств объекта. Таким образом, желаемая модель системы по возмущению имеет передаточную функцию, равную нулю.

В инвариантной системе в явном или неявном виде имеется цепь компенсацйи внешнего возмущения состоящая из измерителя внешнего возмущения 3 и корректирующего фильтра. Компенсация стационарным корректирующим фильтром возможна, если основной контур управления стационарен. При изменении динамических свойств объекта регулирования параметры корректирующего фильтра должны меняться.

Рис. ХХ.4. Системы с эталонной моделью: а — с одной моделью; б — с несколькими моделями

Осуществляется это цепями самонастройки по замкнутому циклу 2, сигналы ошибки которых вырабатываются путем измерения отклонения передаточной функции системы по возмущению от нулевого значения. Текущие параметры передаточной функции системы по возмущению определяются в устройстве 1. Таким образом, устройство 1 вычисляет текущие характеристики цепи, включающей как объект, так и корректирующий фильтр. Заметим, что инвариантные системы в принципе могут строиться и по разомкнутой схеме.

Системы с эталонной моделью (рис. XX.4,а). Желаемые свойства системы задаются эталонной моделью М. Параметры корректирующего фильтра управляются цепями самонастройки по замкнутому циклу Ошибки цепей самонастройки вырабатываются на основе сравнения выходной координаты модели и системы управления х. Таким образом, если в системе с идентификацией объекта регулирования и корректирующего фильтра для выработки ошибок цепей самонастройки сравниваются значения параметров, то в данном типе систем сравниваются текущие значения переменных системы.

Самонастраивающаяся система этого типа может иметь несколько эталонных моделей, каждая из которых определяет желаемые динамические свойства по той или иной переменной системе управления (рис. XX.4,б).

В системах с эталонной моделью могут присутствовать алгоритмы определения текущих характеристик объекта регулирования. Однако они носят вспомогательный характер; определяемые ими текущие характеристики объекта служат лишь для Золее точного определения ошибок цепей самонастройки по замкнутому циклу.

Системы с косвенной идентификацией (рис. XX.5). Отличительная особенность этого типа систем состоит в том, что ошибки цепей самонастройки по замкнутому циклу (устройство 1) формируются на основе оценки относительного изменения параметров цепи корректирующий фильтр — объект регулирования. Такая оценка производится по наблюдению какой-либо переменной системы. Например, если амплитуда автоколебаний системы зависит от коэффициента усиления разомкнутой системы, то, измеряя амплитуду автоколебаний и сравнивая ее с заданной, можно оценить отклонение коэффициента усиления прямой цепи от его желаемого значения. Это отклонение и есть ошибка цепи самонастройки по замкнутому циклу; она сводится к нулю путем изменения коэффициента передачи корректирующего фильтра. В данном случае коэффициент передачи разомкнутой системы не определяется, находится лишь его отклонение от желаемого значения. Желаемая модель системы характеризуется заданной амплитудой автоколебаний.

Рис. ХХ.5. Система с косвенной идентификацией

К системам с косвенной идентификацией откосятся системы, работающие на границе устойчивости, поддерживающие заданный запас устойчивости, поддерживающие постоянную амплитуду автоколебаний, некоторые системы с пробным сигналом [6], [7], [8].

Системы, самонастраивающиеся по внешним воздействиям и динамическим характеристикам объекта регулирования. В этих системах сочетаются принципы построения систем, самонастраивающихся по внешним воздействиям, и систем, самонастраивающихся по динамическим характеристикам объекта. Упрощая несколько проблему, можно сказать, что это сочетание состоит в том, что динамические характеристики желаемой модели, к которой подстраивается система с целью компенсировать неже

лательные изменения свойств объекта, формируются на основе самонастройки по внешним воздействиям.

Примером может служить самонастраивающаяся система, структурная схема которой изображена на рис. XX.6. Подстройка прямой цепи системы к модели 3 осуществляется по замкнутому циклу, при этом используется информация о динамических свойствах объекта, которая поступает из блока 4 (как на рис. XX.4,а). Модель настраивается по внешним воздействиям по разомкнутому циклу (как это показано на рис. XX. 1,а). При этом устройство 1 оценивает параметры внешних воздействий, а устройство 2— определяет параметры оптимальной прямой цепи системы.

Рис. XX.6. Система, самонастраивающаяся по внешним воздействиям и динамическим характеристикам объекта регулирования

Анализ рассмотренных выше структур аналитических самонастраивающихся систем позволяет выделить следующие основные части алгоритмов:

оптимальной модели основного контура управления, или алгоритм первичной оптимизации; идентификации объекта; настройки параметров корректирующего фильтра по параметрам оптимальной модели и объекта;

переработки корректирующим фильтром сигнала основного контура управления;

цепей самонастройки по замкнутому циклу, или вторичной оптимизации.

Следует заметить, что приведенный перечень алгоритмов, как и рассмотренные выше схемы, характеризует структуру алгоритмов аналитических самонастраивающихся систем, а не способ их технической реализации, потому что составные части алгоритмов теряют самостоятельность при их объединении. Часто в результате такого объединения та или иная составная часть не присутствует в алгоритме самонастраивающейся системы в явном виде.

Процессы получения, переработки и использования текущей информации в аналитических самонастраивающихся системах предполагают применение количественных характеристик свойств объекта управления, внешних и внутренних воздействий.

В соответствии с используемым аппаратом можно рассматривать структурные, временные и спектральные принципы построения аналитических самонастраивающихся систем.

Самонастраивающаяся система, построенная на базе структурных принципов, оперирует коэффициентами дифференциальных уравнений; система, построенная на базе временных принципов — временными характеристиками системы и воздействий (ординатами импульсных переходных функций, корреляционных функций и т. д.); система, построенная на базе спектральных принципов, использует спектральные, в частности, частотные характеристики, спектральные плотности и т. п.

Большие возможности для построения алгоритмов аналитических самонастраивающихся систем в классе систем с существенно переменными параметрами имеет рассмотренный в гл. IV спектральный аппарат анализа и синтеза линейных систем на конечных переменных интервалах времени. Во-первых, все характеристики данного аппарата: нестационарные спектральные характеристики, спектральные плотности, передаточные функции могут определяться автоматически в режиме нормальной работы системы, и, во-вторых, основные связи между перечисленными характеристиками — линейные алгебраические. В результате упомянутый спектральный аппарат дает возможность синтезировать все основные алгоритмы, не прибегая к предположению о квазистационарности как характеристик системы, так и внешних воздействий.

Рис. ХХ.7. Система с цифровой вычислительной машиной

Техническая реализация алгоритмов управления аналитических самонастраивающихся систем осуществляется средствами вычислительной техники. Простейшие системы строятся с применением аналоговых элементов. Сложные алгоритмы предполагают применение цифровых вычислительных машин (см. рис. XX.7).