Что такое бионика - Асташенков Петр Тимофеевич. Страница 9

Однако для управления более сложными и менее изученными объектами требовались системы, способные не только устранять известное отклонение регулируемой величины от заданной, но и решать более сложные задачи, автоматически отыскивать такие изменения самой системы, чтобы достичь необходимого результата.

Самонастройка в принципе означает способность системы решать задачу регулирования при различных возмущающих воздействиях, часто даже не предвиденных конструктором. Достигается она с помощью устройств, могущих непрерывно следить за характеристиками системы и так воздействовать на ее параметры, чтобы приближать характеристики к оптимальным (наивыгодным, наилучшим).

Рассмотрим для начала наиболее простые из самонастраивающихся систем — системы экстремального управления. В них требуется найти и поддерживать такое значение регулируемой величины, при котором достигается наименьшее или наибольшее из возможных значений (оно и называется экстремальным) определенной характеристики режима. К экстремальному значению можно отнести минимум расхода энергии, топлива, максимум коэффициента полезного действия и т. д.

Для того чтобы лучше представить себе принцип работы самонастраивающейся системы, сошлемся на пример регулирования подачи топлива в двигатели летательного аппарата. Управляющей системе поставлена цель: обеспечить наиболее экономичный полет. Как известно, это может быть достигнуто на каждой высоте за счет установления оптимального режима: определенной скорости, числа оборотов двигателя, удельного расхода горючего. С изменением высоты эти характеристики меняются. Самонастраивающаяся система, используя данные от контрольных приборов, должна автоматически определить оптимальные значения регулируемых параметров, которые бы обеспечили наиболее экономичный полет.

Более сложна задача поддержания наивыгоднейшего режима в тех случаях, когда некоторые или даже все условия работы установки не контролируются и наперед неизвестны не только степени, но и направления влияния этих условий на эффективность режима. В этом случае используются системы автоматического поиска.

Осуществляя поиск, управляющее устройство самонастраивающейся системы анализирует результаты проб, попыток изменить структуру системы и ее отдельных параметров. Для этого в состав систем вводятся вычислительные устройства, способные «запоминать» данные, выполнять логические операции. Получается так, что система получает возможность принимать «логические» решения, приспосабливаться к изменяющейся внешней обстановке.

Система автоматического поиска имеет своих предшественников в природе. Можно в связи с этим указать на процесс развития вида, так называемый механизм естественного отбора. В качестве «проб» здесь выступают различные формы живых организмов, образующиеся в природе, из которых выживают наиболее приспособленные. По наследству потомству передаются те черты, которые обеспечивают большую жизнеспособность. Варьируя миллиарды организмов, природа образовала высокоразвитые виды живых существ.

Аналогично осуществляется поиск в автоматическом устройстве, которое, пробуя различные варианты, изменяет характеристики и даже структуру управляющего устройства, с тем чтобы система, которую хотят усовершенствовать, приобрела наивыгоднейшие свойства.

Каковы же принципы поиска экстремальных значений в самонастраивающихся системах? Их можно искать с помощью различных перемещений регулирующего органа. Существует, например, метод использования небольших перемещений (колебаний) регулирующего органа в одну и другую сторону около среднего его положения. Применяя специальные устройства, удается проанализировать результаты и определить направление движения регулирующего органа.

На рис. 10 показана зависимость параметра системы ψ (например, коэффициента полезного действия) от перемещения регулирующего органа X.

Рис. 10. Автоматический поиск с помощью колебаний синусоидальной формы с частотой ω. Воздействие таких колебаний приводит к выходным колебаниям показателя ψ, изображенным и точках 1, 2, 3.

Положение регулирующего органа меняется под воздействием возмущений синусоидальной формы с частотой ω. Пусть при первом перемещении регулирующего органа он попал в точку 1 графика. При этом на выход дискриминатора (различитель фазы и частоты) поступит синусоидальное колебание с частотой ω, изображенное в точке 1. Если при втором перемещении регулирующий орган попадет в точку 2, то на выходе появится сигнал малой амплитуды и удвоенной частоты. И наконец, при попадании в точку 3 появится колебание частоты ω, но в противофазе с колебанием в точке 1. Дискриминатор может выделить максимум, имея приведенную в табл. 1 программу, или «логику», работы.

Таблица 1

Ее обычно именуют алгоритмом управляющего устройства.

Чтобы реализовать такую «логику» работы схемы, нужно иметь фазочувствительный выпрямитель (дискриминатор), команды которого приводили бы в действие электродвигатель, а он в свою очередь открывал бы клапаны, перемещал заслонки или другие какие-либо регулирующие устройства.

Другой путь поисков наивыгоднейших характеристик состоит в использовании свойства запоминания. Выше рассматривались процессы накопления и сохранения информации, происходящие по аналогии с использованием информации мозгом, его памятью. В данном случае может быть использована схема, показанная на рис. 11.

Рис. 11. Схема управляющего устройства, основанного на принципе запоминания наибольшего показателя ψ.

К электродам сетка-катод радиолампы через диод подводится электрическое напряжение (показатель Ψ). Пусть при этом величина ψ меняется, как показано на рис. 10, от точки 1 к точкам 2 и 3. Когда ψ достигнет максимального значения, запоминающий конденсатор С зарядится, «запомнит» это значение. Когда напряжение начнет уменьшаться, диод запирается. Суммирующий усилитель, сравнивающий напряжения в цепи катода лампы и инвертора, дает команду реле. Оно срабатывает и заставляет двигатель, а за ним и регулирующий орган двигаться в обратную сторону. Опять будет пройден максимум, и как только величина ψ начнет падать, снова реле заставит двигаться регулирующий орган обратно. Таким образом, в системе будут происходить колебания вокруг наибольшего значения и среднее положение регулирующего органа будет соответствовать этому значению.

С запоминанием связан и циклический поиск в системах шагового типа. В этом случае приходится запоминать исходную величину выходного сигнала ψ, изменения положения регулирующего органа АХ, новое значение выходной величины ψ + Δψ. На графике рис. 12 показана зависимость показателя системы ψ от перемещения регулирующего органа X.

Рис. 12. График зависимости показателя системы ψ от перемещения регулирующего органа X при циклическом поиске в системе шагового типа.

Пусть исходное положение регулирующего органа в точке О. Делается пробный шаг АХ. При перемещении в точку 1 показатель системы возрастает, становится ψ + Δψ. При исходном положении в точке 2 значение ψ при пробном шаге в точке 3 уменьшается. По знаку Δψ можно определить направление движения регулирующего органа. Метод такого поиска называется циклическим потому, что шаг АХ задается специальным коммутатором циклически через равные промежутки времени, а направление этого шага и величина неизменны. Алгоритм («логику») работы управляющего устройства можно представить в виде табл. 2.