ОПТИМАЛЬНЫЕ И АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ

(лекции, заочный факультет, 5 курс)

Лекция 1.

Введение.

В классической теории автоматического управления (ТАУ) за­дачи оптимизации и адаптации ставились в основном примени­тельно к управлению «в малом». Это означает, что оптимальная программа изменения режимов технологического процесса, вы­раженная в задающих воздействиях регуляторов, считалась из­вестной, определенной на стадии проектирования. Задача управ­ления заключалась в выполнении этой программы, стабилизации программного движения. При этом допускались лишь малые от­клонения от заданного движения, и переходные процессы «в ма­лом» оптимизировались по тем или иным критериям.

В конце 50-х - начале 60-х гг. XX столетия появились работы Л.С. Понтрягина (принцип максимума), Р. Беллмана (динамичес­кое программирование), Р. Калмана (оптимальная фильтрация, управляемость и наблюдаемость), которые заложили основы со­временной теории автоматического управления, общепринятого определения понятия которой пока не существует.

Наиболее точно современную теорию автоматического управ­ления можно отделить от классической ТАУ, учитывая требования научно-технического прогресса, современной и перспектив­ной автоматизации. Важнейшим из таких требований является оптимальное использование всех располагаемых ресурсов (энер­гетических, информационных, вычислительных) для достижения главной обобщенной конечной цели при соблюдении ограниче­ний.

Прежде всего указанная оптимиза­ция требует полного использования имеющейся априорной ин­формации в виде математической модели управляемого процес­са или объекта. Использование таких моделей не только на стадии проектирования, но и в процессе функционирования систем, яв­ляется одной из характерных черт современной теории автомати­ческого управления.

Оптимальное управление возможно лишь при оптимальной обработке информации. Поэтому теория оптимального (и субоп­тимального) оценивания (фильтрации) динамических процессов является составной частью современной теории автоматического управления. Особо важной является параметрическая идентифи­кация (оценивание параметров и характеристик по эксперимен­тальным данным), выполняемая в реальном масштабе времени в эксплуатационных режимах ОУ.

Подлинная оп­тимизация автоматического управления в условиях неполной априорной информации возможна только в процессе функциони­рования системы в текущей обстановке и возникшей ситуации. Следовательно, современная теория автоматического управления должна рассматривать адаптивное оптимальное (субоптимальное) управление «в большом». Кроме того, современная теория авто­матического управления должна рассматривать методы резерви­рования и структурного обеспечения надежности (особенно прин­ципы автоматической реконфигурации системы при отказах).

Определение, особенности и общая характеристика оптимальных систем.

Оптимальной называется наилучшая в некотором технико-эко­номическом смысле система. Основной ее особенностью являет­ся наличие двух целей управления, которые эти системы реша­ют автоматически.

Основная цель управления - поддержание управляемой ве­личины на заданном значении и устранение возникающих откло­нений этой величины.

Цель оптимизации - обеспечение наилучшего качества уп­равления, определяемое по достижению экстремума некоторого технико-экономического показателя, называемого критерием оптимальности (КО).

Оптимальные системы разделяют в зависимости от вида КО на два класса: оптимальные в статике системы и оптимальные в ди­намике системы.

У оптимальных в статике систем КО является функцией пара­метров или управляющих воздействий. Этот критерий имеет экст­ремум в статическом режиме работы системы, причем статическая характеристика, выражающая зависимость КО от управляющих воздействий оптимизации, может непредвиденным образом сме­щаться под действием возмущений. Оптимальная система должна этот экстремум находить и поддерживать. Такие системы приме­нимы, если возмущения, смещающие указанную характеристи­ку, изменяются сравнительно медленно по сравнению с длитель­ностью переходных процессов в системе. Тогда система будет успевать отслеживать экстремум практически в статическом ре­жиме. Такие условия обычно выполняются на верхней ступени иерархии управления.

Оптимальные в динамике системы отличаются тем, что их критерий оптимальности представляет собой функционал, т. е. функцию от функций времени. Это значит, что, задав функции времени, от которых данный функционал зависит, получим чис­ловое значение функционала. Эти системы могут применяться при сравнительно быстро меняющихся внешних воздействиях, не выходящих, однако, за допустимые пределы. Поэтому они ис­пользуются на нижних уровнях управления.

1.2. Критерии оптимальности оптимальных в динамике систем

Обычно эти функционалы имеют вид определенных интегра­лов по времени

где x(t), u(t) - векторы состояния и управления данной системы;

Т - длительность процесса (в частности, может быть Т = ).

В зависимости от подынтегральной функции f 0 эти критерии имеют следующие основные виды.

1. Линейные функционалы, у которых f 0 - линейная функция переменных:

Критерий максимального быстродействия при f 0 1, т.е.

который равен длительности процесса, а соответствующие системы называют оптимальными по быстродействию;

Линейные интегральные оценки

Критерий максимальной производительности

,

где q(t) - количество произведенной продукции.

2. Квадратичные функционалы, у которых f 0 - квадратичная форма от входящих в нее переменных:

Квадратичные интегральные оценки качества переходного процесса

;

Критерий энергозатрат на управление, у которого

,

где u - управляющее воздействие, а и 2 - мощность, затрачи­ваемая на управление;

Обобщенный квадратичный критерий, равный сумме двух предшествующих, взятых с некоторыми весовыми коэффи­циентами. Он компромиссно характеризует качество пере­ходного процесса и энергозатраты на него, т. е.

,

где Q и R - положительно определенные квадратные матрицы. Функционалы, не содержащие интегралов:

Критерий минимакса, при оптимизации по которому надо обеспечить минимальное значение максимума модуля (нор­мы) вектора отклонения управляемого процесса от его эта­лонного закона изменения, т. е.

, где x э – эталонный закон изменения.

Простейшим примером этого критерия для скалярного случая является известное максимальное перерегулирова­ние переходного процесса;

Функция от конечного состояния

которая является функционалом потому, что конечное со­стояние объекта х (Т) является функцией от управляющего воздействия u (t). Этот критерий оптимальности может применяться в сумме с одним из рассмотренных выше критериев, имеющих вид определенного интеграла.

Выбор того или иного критерия оптимальности для конкретного объекта или системы производится на основании соответствующего изучения работы объекта и предъявляемых к нему требований технико-экономического характера. Этот вопрос не может быть решен в рамках только теории автоматического управления. В зависимости от физического смысла критерия оптимальности его требуется либо минимизировать, либо максимизировать. В первом случае он выражает потери, во втором случае технико-экономическую выгоду. Формально, поменяв знак перед функционалом, можно задачу по максимизации свести к задаче по минимизации.

Лекция 2.

1.3. Краевые условия и ограничения
для оптимальных в динамике систем

Основная цель управления в таких системах обычно формулируется как задача перевода изображающей точки из некоторого начального состояния х(О) в некоторое конечное х(Т) состояние. Начальное состояние принято называть левым концом оптимальной траектории, а конечное - правым. Вместе взятые эти данные и образуют краевые условия. Задачи управления могут отличаться видом краевых условий.

1. Задача с закрепленными концами траектории имеет место, когда х (0) и х (Т) фиксированные точки пространства.

2. Задача с подвижными концами траектории получается, когда х (0) и х (Т) принадлежат некоторым известным линиям или поверхностям пространства.

3. Задача со свободными концами траектории возникает, когда указанные точки занимают произвольные положения. На практике встречаются и смешанные задачи, например х (0) - фиксирован, а х (Т) подвижен. Такая задача будет иметь место, если объект из заданного фиксированного состояния должен «догнать» некоторую эталонную траекторию (рис. 1).

Ограничениями называются дополнительные условия, кото­рым должны удовлетворять управляющие воздействия и управ­ляемые величины. Встречаются два вида ограничений.

1. Безусловные (естественные) ограничения, которые выпол­няются в силу физических законов для процессов в объекте уп­равления (ОУ). Эти ограничения показывают, что некоторые ве­личины и их функции не могут выйти за границы, определяемые равенствами или неравенствами. Например, уравнение двигате­ля постоянного тока (ДПТ):

,

ограничение на скорость асинхронного двигателя , где - синхронная скорость.

2. Условные (искусственные) ограничения, выражающие та­кие требования к величинам или функциям от них, согласно ко­торым они не должны превосходить границ, определенных равен­ствами или неравенствами по условиям долговечной и безопасной эксплуатации объектов. Например, ограничение на питающее напряжение , ограничения на допустимую скорость, уско­рение и т. п.

Для обеспечения условных ограничений необходимо прини­мать меры схемного или программного характера при реализации соответствующего управляющего устройства.

Ограничения, независимо от их вида, выражаемые равенства­ми, называются классическими, а неравенствами - неклассичес­кими.

Похожая информация.

В общем случае система автоматического управления состоит из объекта управления ОУ с рабочим параметром Y, регулятора Р и программатора (задатчика) П (рис. 6.3), вырабатывающего задающее воздействие (программу) для достижения целей управления при условии выполнения качественных и количественных требований. Программатор учитывает совокупность внешней информации (сигнал И).

Рис. 6.3. Структура оптимального управления

Задача создания оптимальной системы состоит в том, чтобы для заданного объекта управления синтезировать регулятор и программатор, которые наилучшим образом решают требуемую цель управления.
В теории автоматического управления рассматриваются две родственные задачи: синтез оптимального программатора и синтез оптимального регулятора. Математически они формулируются одинаково и решаются одними и теми же методами. В то же время задачи имеют специфические особенности, которые на определенном этапе требуют дифференцированного подхода.

Система с оптимальным программатором (оптимальное программное управление) получила название оптимальной по режиму управления. Систему с оптимальным регулятором называют оптимальной по переходному режиму. Система автоматического управления называется оптимальной, если оптимальными являются регулятор и программатор.
В ряде случаев считается, что программатор задан и требуется определить только оптимальный регулятор.

Задача синтеза оптимальных систем формулируется как вариационная задача или задача математического программирования. При этом, кроме передаточной функции объекта управления, задаются ограничения на управляющие воздействия и рабочие параметры объекта управления, краевые условия и критерий оптимальности. Краевые (граничные) условия определяют состояние объекта в начальный и конечный момент времени. Критерий оптимальности, который является числовым показателем качества системы, обычно задается в виде функционала

J = J [u (t ), y (t )],

где u (t ) – управляющие воздействия; y (t ) – параметры объекта управления.

Задача оптимального управления формулируется следующим образом: при заданном объекте управления, ограничениях и краевых условиях найти такое управление (программатор или регулятор), при котором критерий оптимальности принимает минимальное (или максимальное) значение.

28. Обработка информации в АСУ ТП. Связь интервала корреляции с час­тотой опроса первичных измерительных преобразователей. Выбор частоты опроса первичных измерительных преобразователей.

Оптимальные системы – это системы, в которых заданное качество работы достигается за счет максимального использования возможностей объекта, иными словами это системы, в которых объект работает на пределе своих возможностей.

Оптимальная СУ – система управления, выбранная тем или иным способом и имеет наилучшие качества.

Оценка функции СУ производится по критерию оптимальности. Задачей теории оптимальности СУ является определение в общем виде законов управления объектом. По этим законам можно судить, что можно и чего нельзя достигнуть в реальных условиях. Классической постановкой задачи является задача определения оптимального алгоритма управления при наличии априорной информации (математического описания включающее ограничения наложенные на любые координаты системы) об объекте управления.

Рассмотрим апериодическое звено первого порядка

W (p) = K/(Tp+1) (1)

│u │≤ A, (2)

для которого необходимо обеспечить минимальное время перехода у из начального состояния y (0) в конечноеy k . Переходная функция такой системы приK =1 выглядит следующим образом

Рис. 1.1. Переходная функция системы при U= const .

Рассмотрим ситуацию, когда на вход объекта подаем максимально возможное управляющее воздействие.

Рис.1.2. Переходная функция системы при U=A= const .

t 1 - минимально возможное время перехода y из нулевого состояния в конечное для данного объекта.

Для получения такого перехода существует два закона управления:

программное управление

A, t < t 1

y k , t ≥ t 1 ;

закон управления типа обратной связи

A, y < y k

y = (4)

y k , y ≥ y k ;

Второй закон более предпочтителен и позволяет обеспечить управление при помехах.

Рис. 1.3. Структурная схема системы с законом управления типа обратной связи.

Цель управления - требования, предъявленные к СУ.

ограничения на входные параметры, например, допуски на изготовляемую продукцию, ошибки стабилизации управляемой величины,

экстремальные условия (мах мощности или кпд, мин потери энергии),

некоторые показатели качества (содержание вредных компонентов в конечном продукте)

Строгая формализация цели управления очень сложна из-за наличия подсистем

При формализации критерия необходимо учитывать факторы, влияющие на поведение СУ более высокого уровня. Например, при добыче полезного ископаемого – мах выхода товара. Но при этом ухудшается качество, т.е. необходимо учитывать заданное качество.

Таким образом, при выборе формализованного (математического) выражения критерия оптимальности необходимо учитывать:

1) критерий оптимальности должен отражать экономические показатели или величины с ними связанные.

2) для конкретной СУ учитывается только 1 критерий (если многокретериальная задачах то глобальный критерий- функция от частных критериев.

3) критерий должен быть связан с управляющими воздействиями, иначе он бесполезен.

4) критериальная функция иметь подходящую форму, желательно, чтоб критерий имел 1 экстремум,

5) информация, необходимая для критерия не должна быть избыточной. Это позволяет мах упростить систему измерительных устройств. И повысить надежность функционирования системы в целом.

Тестовые задания для самоконтроля

1. Управление это -

А) достижение избранных целей в практической деятельности

Б) достижение избранных целей в научной деятельности

В) достижение избранных целей в реальной действительности

Г) достижение избранных целей в теоретической деятельности

Д) достижение избранных целей в психологической деятельности

2. В теории управления возможна постановка скольких задач

3. Суть задачи управления заключается

А) в управлении объектом в процессе его функционирования без нашего непосредственного соучастия в процессе

Б) в управлении объектом в процессе его функционирования с нашим

непосредственном участии в процессе

Д) в управлении объектом в процессе его функционирования с помощью датчиков

4. Суть задачи самоуправления заключается

А) в управлении объектом в процессе его функционирования без нашего непосредственного соучастия в процессе

Б) в управлении объектом в процессе его функционирования с помощью датчиков

В) в управлении объектом в процессе его функционирования с помощью программы

Г) в управлении объектом в процессе его функционирования с помощью ЭВМ

Д) все ответы верны

5. На основании выбранного критерия оптимальности составляется

А) целевая функция

Б) зависимость параметров

В) целевая функция, представляющая собой зависимость критерия оптимальности от параметров, влияющих на ее значение

Г) зависимость параметров, влияющих на ее значение

Д) все ответы верны

В широком значении слово «оптимальный» означает наилучший в смысле некоторого критерия эффективности. При таком толковании любая научно обоснованная система является оптимальной, так как при выборе какой-либо системы подразумевается, что она в каком-либо отношении лучше других систем. Критерии, с помощью которых осуществляется выбор (критерии оптимальности), могут быть различными. Этими критериями могут являться качество динамики процессов управления, надежность системы, энергопотребление, ее вес и габариты, стоимость и т. п., либо совокупность этих критериев с некоторыми весовыми коэффициентами.

Ниже термин «оптимальный» используется в узком смысле, когда система автоматического управления оценивается лишь качеством динамических процессов и при этом критерием (мерой) этого качества выступает интегральный показатель качества. Такое описание критериев качества позволяет использовать для нахождения оптимального управления хорошо разработанный в математике аппарат вариационного исчисления.

Далее рассматривается два класса систем: системы программного управления, управляющее воздействие в которых не использует информацию о текущем состоянии объекта, и системы автоматического регулирования (системы стабилизации программного движения), действующие по принципу обратной связи.

Вариационные задачи, возникающие при построении оптимальных систем программного и стабилизирующего управления, формулируются в первой главе. Во второй главе излагается математическая теория оптимального управления (принцип максимума Л. С. Понтрягина и метод динамического программирования Р. Веллмана). Эта теория является фундаментом для построения оптимальных систем. Она доставляет большой объем информации о структуре оптимального управления. Свидетельством последнего являются оптимальные по быстродействию управления, которым посвящена третья глава. Вместе с тем практическое применение теории сталкивается с трудностями вычислительного характера. Дело в том, что математическая теория оптимального управления позволяет свести процесс построения оптимального управления к решению краевой задачи для дифференциальных уравнений (обыкновенных либо в частных производных).

Трудности численного решения краевых задач приводят к тому, что построение оптимальных управлений для каждого класса объектов управления является самостоятельной творческой задачей, решение которой требует учета специфических особенностей объекта, опыта и интуиции разработчика.

Эти обстоятельства побудили к отысканию классов объектов, для которых при построении оптимального управления краевая задача легко решается численно. Такими объектами управления оказались объекты, описываемые линейными дифференциальными уравнениями. Эти результаты, полученные А. М. Летовым и Р. Калманом, явились основой нового направления синтеза систем оптимальной стабилизации, называемого аналитическим конструированием регуляторов.

Аналитическому конструированию регуляторов, широко используемому при проектировании современных сложных систем стабилизации, посвящены четвертая и пятая главы.

Лекция 12.Оптимальные системы автоматического управления

Любая САУ в определенном смысле является оптимальной, т.к. в любом случае предпочтение одной системы перед другой означает, что выбранная система при определенных условиях в том или ином отношении лучше (оптимальнее) другой. Вместе с тем выделяют самостоятельную группу так называемых оптимальных (в том или ином смысле) САУ, понимая под этим термином такие системы, в которых реализуется закон управления по максимуму или минимуму значения выбранного, исходя из конкретных условий и задач управления, критерия оптимальности.

Очевидно, что может существовать большое разнообразие различных критериев, определяющих степень совершенства работы той или иной управляемой системы. Некоторые из этих показателей, как например, время переходного процесса (быстродействие), величина перерегулирования, статическая ошибка, установившаяся ошибка при медленных плавных изменениях входного воздействия были рассмотрены ранее.

Вообще говоря, все эти критерии качества важны для многих автоматических систем. Но часто в зависимости от устройства и назначения системы один из указанных (или иных) критериев качества может играть главную роль. Тогда при синтезе системы надо «выжать» из нее все, чтобы добиться максимума или минимума именно того показателя, который соответствует данному критерию. Остальные же показатели качества нужно при этом удерживать просто в допустимых по техническим требованиям пределах. Когда одинаково важны два каких-либо критерия, то составляется новый комбинированный показатель качества, максимум или минимум которого нужно обеспечить.

Оптимальной автоматической системой называется система, в которой закон управления выбран по максимум или минимуму того или иного показателя качества. При этом закон управления может быть либо линейным, либо нелинейным.

Наиболее общее выражение критерия оптимальности имеет вид интегрального функционала, зависящего от функции управления:

где Х(х 1 ,х 2 ,…х n) – вектор фазовых координат (вектор состояния); U(u 1 ,u 2 ,…u m) – вектор управления; t 0 , t k – время начала и конца управления.

Задачей теории оптимального управления является нахождение алгоритма, структуры и параметров системы управления, удовлетворяющих условиям оптимальности.

В оптимальной системе с линейным законом управления рассчитываются значения всех коэффициентов по максимуму или минимуму выбранного показателя качества, или же рассчитывается передаточная функция корректирующего устройства или фильтра (так называемый оптимальный линейный фильтр). В этом случае достигается максимум того, что может дать чисто линейная система.

Более широкими возможностями при оптимизации системы по тому или иному критерию обладают нелинейные законы управления. Введение нелинейностей в закон управления принципиально расширяет его возможности. То же самое касается и нелинейных корректирующих устройств и нелинейных фильтров. Однако расчет их структуры и параметров по максимуму или минимуму какого-либо показателя качества становится значительно сложнее.

В частности в оптимальных системах часто применяется релейный закон регулирования типа двухпозиционного или трехпозиционного, но с более сложным условием переключения:

U = C при f(х 1 ,х 2 ,…х n) > 0,

U = 0 при f(х 1 ,х 2 ,…х n) = 0,

U = - C при f(х 1 ,х 2 ,…х n) > 0,

где U – управляющее воздействие; С – заданная постоянная; х 1 ,х 2 ,…х n – обобщенные координаты системы, в которые могут входить отклонения управляемой величины и других переменных, характеризующих текущее состояние системы, а также их производные; f – функция переключения, которая может зависеть от начальных значений этих переменных и от характеристик задаваемого значения регулируемой величины в рассматриваемой САУ. Вид этой функции зависит как от выбранного показателя качества, так и от структуры и параметров системы в целом.

Во всех случаях оптимизации автоматической системы по тому или иному критерию должны учитываться реальные ограничения, всегда имеющиеся на практике, например, ограниченность запаса энергии, величины мощности, скорости, усиления, тока, емкости, допускаемой перегрузки, нагрева и т.п. Эти ограничения записываются в виде неравенств (например, dx/dt £ b), добавляемых к уравнениям динамики системы.

Используемый критерий качества тоже должен быть выражен либо непосредственно в виде функции от подлежащих выбору параметров закона управления, либо как подлежащий оптимизации результат решения уравнений динамики автоматической системы. Тогда задача сводится к отысканию максимума или минимума некоторого функционала.

Допустим, что требуется определить временную функцию x(t), удовлетворяющую заданным граничным условиям при t = 0 и t = T и обеспечивающую минимум интеграла следующего вида:

где F(x) – функция переменной х и производных d i x/dt i .

В этом случае можно положить х = где j i (t) - известные функции.

Для решения задачи требуется подобрать коэффициенты а i так, чтобы интеграл J достигал минимума.

Для такого определения x(t) обычно необходимо обследовать большое число коэффициентов а i . Если число таких коэффициентов невелико и при этом имеется лишь один минимум исходной функции, такая задача решается сравнительно просто. При других более общих условиях решение указанной задачи требует большого объема вычислений.

При построении оптимальных систем решаются следующие основные задачи: определение математической модели объекта управления; определение цели управления; выбор критерия оптимальности; оценка ограничений, накладываемых на параметры состояния и управления; выбор оптимального алгоритма работы управляющего устройства; схемная реализация управляющего устройства.