3.7.20 Адаптивні системи керування

Значна частина теорії побудови систем керування базується на використанні зворотних зв’язків по змінним стану. Однак, на практиці не всі змінні стану доступні до вимірювання, і, як правило, вимірюються тільки вихідні змінні об’єкта керування. В [1, 2, 3,4] показано, що якщо керований процес є спостережливим, то можна побідувати пристрій спостереження, який на основі інформації про вхідні та вихідні сигнали виробляє , відновлює оцінки змінних стану, на основі яких формуються сигнали зворотних зв’язків для керування процесом. Для цих методів характерно те, що структура регулятора обирається апріорі на основі інформації про об’єкт керування. Класичний спостерігач стану , поданий на рис. 1, повинен будуватися таким чином, щоб відновлений стан був як можна ближче до дійсного стану . При цьому вважається що структура спостерігаючого пристрою ідентична по відношенню до дійсної системи керування, що значно обмежує можливі області використання таких методів синтезу при дії на об’єкт керування неконтрольованих зовнішніх збурень та у разі неконтрольованих змін параметрів самого об’єкта керування. В роботах [5,6] була показана можливість застосування спостерігача для керування такими об’єктами.

Рис.3.134 Система керування із спостерігачем

Основні моменти побудови системи керування при цьому полягають у наступному. На основі вимірювання вихідних координат системи керування та спостерігаючого пристрою здобувається інформація про відхилення вихідних координат об’єкта керування від координат спостерігача . Але задача спостерігача буде полягати не в оцінки координат змінних стану , а в тому, щоб привести вихідні координати об’єкта керування до координат , які будемо вважати заданими. Для розв’язання такої задачі необхідно до керуючого впливу додавати компенсуючи керування (рис.3.135). Отже, тепер задачею спостерігача стає задача стеження за відхиленням дійсного процесу від заданого та виробки компенсуючих впливів, які подаються на об’єкт керування. Спостерігач, який приводить вихідні координати об’єкта керування до координат, що задаються спостерігачем, будемо називати дуальним. В роботі [ 6 ] показано, що при еквівалентна передаточна функція всієї системи керування буде визначатися передаточною функцією дуального спостерігача. При виконанні цієї умови система керування стає інваріантною до впливу зовнішніх збуджень, а динамічні властивості ( перехідні процеси) наближаються до процесів, які визначаються дуальним спостерігачем.

Рис.3.135 Система керування з дуальним спостерігачем

Ці два основних моменту дозволяють будувати автономні системи керування із заданими характеристиками незалежно від дії зовнішнього середовища та непередбаченої зміни параметрів самої системи (коефіцієнтів передачі, постійних часу, тощо). Також слід зауважити, що для підвищення швидкості збігання розузгодження необхідно підвищувати коефіцієнти передачі компенсуючого каналу , а для забезпечення стійкості вводити диференцюючі складові. Для забезпечення робастості у „великому” при дії зовнішніх впливів в канали компенсації вводяться інтегральні складові, зображення яких присутні у діючих впливах.Отже, канали компенсації як правило мають ПІД-закони керування.

Нижче наводяться приклади дослідження різноманітних систем керування з дуальним спостерігачем, які виконувалися на моделюючому комплексі SHS-ТАК, який розроблено на кафедрі технічної кібернетики НТУУ „КПІ” під керівництвом доцента кафедри Шпіт Сергієм

Васильовичем.

Рис.3.136 Найпростіша система керування з дуальним

спостерігачем.(Канали компенсації виключені. Розузгодження великі,

вплив зовнішнього збудження велике).

На Рис.3.136 представлено неперервну лінійну систему керування, передаточна функція якої складається з передаточних функції регулятора та об’єкта керування , а бажані динамічні властивості визначаються дуальним спостерігачем з передаточною функцією . Збуджуючий вплив ЗВ подається на вхід об’єкта керування при .Дослідження перехідних процесів при виключених каналах компенсації показують, що вихідний сигнал об’єкта керування значно відрізняється від заданого , а відхилення при дії зовнішнього впливу є великим. При включенні каналів компенсації ( Рис.3.137 ) динаміка системи керування повністю визначається дуальним спостерігачам , а неконтрольований зовнішній вплив повністю компенсується.

На основі перехідних процесів можна зробити наступні висновки: по-перше, застосування дуального спостерігача дозволяє задавати системі керування необхідні режими роботи; по-друге, параметри системи та її структура можуть змінюватися у широкому діапазоні, що дозволяє застосовувати дуальні спостерігачі зниженого порядку; по-третє, система керування стає інваріантною до дії неконтрольованих впливів. Таким чином , застосування дуального спостерігача значно спрощує задачу синтезу систем керування із заданими динамічними властивостями.

Рис.3.137

Розглянемо основний принцип побудови систем з еталоном – спостерігачем на прикладі одномірної системи керування ( Рис.3.138 ).

Рис.3.138 Одномірна система із еталоном-спостерігачем

Керована величина при визначається як

(3.123)

З урахуванням з рівняння ( 3.123) отримуємо (3.124)

Тоді

(3.125)

Якщо вибрати , то (3.126). Таким чином, якщо забезпечити умови стійкості та надати контуру автопідстроювання астатичні властивості, тобто обрати у вигляді ПІД структури, то вихід об’єкта керування буде залежним тільки від передаточної функції спостерігача . При цьому значно спрощується задача синтезу системи керування із заданими показниками якості за рахунок вибору спостерігача з передаточною функцією зниженого порядку.

Розглянута структура забезпечує виконання умов інваріантності систем керування до дії неконтрольованих збуджень. Якщо збурення прикладаються до об’єкта керування, то відповідно Рис 1 будемо мати (3.127)

Тоді з урахуванням буде виконуватися умова

(3.128)

Якщо , то

(3.129).

Розглянемо роботу одно контурної системи з передаточною функцією та спостерігачем з

З передаточною функцією зниженого порядку ( Рис.3.139)

Рис.3.139 Система керування із спостерігачем ( канал компенсації виключено)

Позначимо

Рис.3.140 Перехідні процеси в системі при виключенихканалах компенсації.

На початковому етапі зазузгодження вихідних сигналів обумовлене впливом початкових умов . На другої сек. На обєкт керування починає діяти неконтрольована детермінована завада. Заданий закон руху задається спостерігачем (вихід спостерігача).

Рис.3.141 Перехідні процеси після включення каналів компенсації.

Рис.3.142 Вплив неконтрольованої випадкової завади та початкових умов

Рис 3.143 Перехідні процеси про нульови початкових умовах

На основі здобутих висновків була поставлена задача дослідження неперервної системи ( ) з чистою затримкою (рис.3.144), яка діє на виході об’єкта керування. Для компенсації чистої затримки використовується компенсатор Сімсона ( ), а динамічні властивості системи задаються дуальним спостерігачем ( та ) . Елемент чистої затримки ( ) моделювався на основі формул розкладу Пада другого порядку

( ).

а) б)

Рис.3.144 Система автоматичного керування з чистою затримкою .( а)Перехідні процеси при виключених каналах компенсації; б) при включених каналах компенсації)

Дослідження перехідних процесів в системі керування при вимкнутих каналах компенсації (рис.3.144 а) показує, що замкнута система є нестійкою ( сигнали розбігаються). При включенні каналів компенсації система стає стійкою (рис.144б) , інваріантною до дії неконтрольованих зовнішніх впливів , а її властивості визначаються структурою та параметрами дуального спостерігача ( ).

На Рис.3.145 представлена багатомірна система керування зв’язаного керування, яка за допомогою застосування дуальних спостерігаючи пристроїв набуває властивостей автономності роботи каналів керуванні та стає інваріантною до дії зовнішніх впливів та .

а) б)

Рис.3.145 Автономна багатомірна система керування з дуальними спостерігачами. ( а)Перехідні процеси при виключених каналах компенсації; б) при включених каналах компенсації)

Дослідження перехідних процесів в каналах керування (рис.3.145а та 3.145б) підтверджують попередні виснавки. Детальне дослідження такої багатомірної системи керування при різноманітних умовах даються в роботі [6].

Результати досліджень були перенесені на дискретні (рис.3.146) та нелінійні (рис.3.147) системи автоматичного керування . Дослідження показали правомірність попередніх висновків що до доцільності застосування дуального спостерігача в системах керування, відносну простату реалізації таких адаптивних систем керування та можливість компенсації неконтрольованих збуджень.

Рис.3.146. Дискретна система автоматичного керування з дуальним спостерігачем зниженого порядку

а) б)

Рис.3.147 Нелінійна система автоматичного керування з дуальним спостерігачем зниженого порядку.

Теоретичні та експериментальні дослідження побудови різноманітних автоматичних систем керування з дуальним спостерігачем показали високу ефективність запропонованих методів при значному спрощенні їх фізичної реалізації. При цьому знімається проблема корекції параметрів як об’єкта керування так і регулятора, а сама система керування набуває властивостей грубості ( робастості ) навіть при значних змінах параметрів системи та впливу неконтрольованих завад у широкому діапазоні. Дослідження систем керування різних по математичному опису показали можливість застосування дуального спостерігача зниженого порядку та побудови автономних та інваріантних систем автоматичного керування.