Адаптация с обратной связью и без обратной связи

В литературе предложено несколько способов классификации адаптивных систем. Лучше всего ее начать с разделения на адаптацию без обратной связи и с обратной связью.

Процесс адаптации без обратной связи состоит из измерений характеристик входного сигнала или окружающей среды, введения этой информации в формулу или вычислительный алгоритм и использования результатов для регулирования адаптивной системы. При адаптации с обратной связью, кроме того, автоматически вносятся коррекции и с целью оптимизации параметров функционирования системы определяется их влияние на выходной сигнал. Этот процесс можно назвать адаптацией с функциональной обратной связью.

Принципы адаптации без обратной связи и с обратной связью проиллюстрированы на рис. 1.2 и 1.3. В обоих случаях удобно рассматривать адаптивный процесс так, как если бы его проводил вручную оператор или «наблюдатель». На рис. 1.2, а и 1.3, а показано, как наблюдатель корректирует органы управления устройства обработки, наблюдая за дисплеем, регистрирующим параметры по заранее выбранному критерию функционирования. В системе без обратной связи таким критерием являются некоторые характеристики входного сигнала и, возможно, другие данные, а в системе с обратной связью — кроме того, функция, выходного сигнала. Коррекция в системе на рис. 1.3 осуществляется даже в случае, когда оператор не знает, что находится внутри устройства обработки или каковы функции органов управления. Оператор не обрабатывает входной сигнал, он только управляет коррекциями устройства обработки для того, чтобы поддерживать функционирование оптимизированным в соответствии с заранее выбранным критерием.

Рис. 1.2. Адаптация без обратной связи: а) общее представление: б) эквивалентная схема

Рис. 1.3. Адаптация с обратной связью

Таким образом, функция оператора — только наблюдение, а в реальных автоматических адаптивных системах оператора заменяют вычислительные или «адаптивные» алгоритмы, как показано на рис. 1.2, б и 1.3, б. «Другими данными» для адаптивной системы на этих рисунках могут быть данные об окружающей среде или для системы с обратной связью — необходимый вид выходного сигнала.

В процессе разработки адаптивного алгоритма выбор адаптации без обратной связи или с обратной связью определяется многими факторами. Прежде всего учитывается вид входных сигналов и сигналов, отражающих параметры функционирования. Кроме того, количество вычислений и тип ЭВМ, требуемые для реализации алгоритмов адаптации без обратной связи или с обратной связью, как правило, различны. Для некоторых алгоритмов необходимо использовать универсальную цифровую ЭВМ, в то время как реализация других алгоритмов намного экономичнее на специализированных вычислителях или других устройствах. Некоторые из этих структурных подходов обсуждаются в последующих главах. Общие принципы выбора разработать трудно, но можно выделить ряд достоинств и недостатков алгоритмов адаптации с обратной связью, составляющих основное содержание книги.

Достоинством алгоритмов адаптации с обратной связью является их работоспособность во многих приложениях, где аналитических методов синтеза либо не существует, либо они неизвестны; например, где помимо среднеквадратических критериев используют критерии ошибки, где системы являются нелинейными или изменяются во времени, где сигналы являются нестационарными и т. д. Кроме того, адаптацию с обратной связью можно эффективно использовать в случаях, когда физические величины компонентов системы являются переменными или известны неточно. В этом случае адаптация с обратной связью обеспечит выбор наилучших величин компонентов. При частичном повреждении системы механизм адаптации, постоянно следящий за функционированием, оптимизирует ее функционирование с помощью коррекции и переоптимизации неповрежденной части. В результате при использовании функциональной обратной связи зачастую можно повысить надежность системы.

Однако процессу адаптации с обратной связью присущи и недостатки. В некоторых случаях нет одного оптимума, и тогда автоматическая оптимизация становится неопределенным процессом. В других случаях в системе управления с обратной связью процесс адаптации может быть неустойчивым, т. е. расходящимся, а не сходящимся. Несмотря на это, функциональная обратная связь представляет собой мощный, широко применяемый метод реализации адаптации. Большая часть описываемых в книге процессов адаптации является процессами с функциональной обратной связью.