Системы с самонастройкой структуры

Системы   с   самонастройкой  структуры (самоорганизующиеся  системы)

Все те же задачи самонастройки и некоторые новые задачи целесообраз­но бывает решать не путем изменения параметров регулятора, имеющего' определенную структуру, а путем изменения самой структуры регулятора не заданным заранее образом. Это – системы с самонастройкой структуры (самоорганизующиеся системы).

В рассмотренных ранее системах при автоматической настройке пара­метров регулятора закон регулирования был заранее задан, а менялись не заданным заранее образом лишь входящие в него коэффициенты. Теперь же при автоматической настройке структуры регулятора не задан вообще даже и закон регулирования; в общем случае неизвестно заранее, какие корректирующие устройства и как вводить, какие логические и вычислитель­ные операции производить. В общем случае может меняться структура не только усилительно-преобразовательного, но и измерительного устройства системы управления, если почему-либо выгодно применять разные принципы измерения или же измерять разные исходные величины в разных условиях работы объекта (подобно тому, как человек использует в разных условиях то зрение, то слух, то осязание и т.п. или их комбинированное действие).

В частных случаях возможны более простые самоорганизующиеся системы, в которых заранее не задана структура лишь одной небольшой части системы, а структура остальной части задана неизменной. В законе регулирования может быть определено, например, что сигнал по отклонению регулируемой величины обязательно идет по структурно-заданному каналу, а добавляемые сверх этого корректирующие устройства самоорганизуются.

Говоря о самонастройке структуры или, что то же самое, о самооргани­зации, необходимо подчеркнуть, что имеется в виду автоматическое изме­нение структуры не заданным заранее образом. Это весьма существенно.

В самом деле, когда рассматривались нелинейные законы регулирования, уже говорилось об изменении структуры регулятора. Там могли включаться и отключаться производные и интеграл, могла включаться или переключаться обратная связь и т.п. Но все это делалось хотя и авто­матически, но заранее заданным образом в зависимости от значения откло­нения регулируемой величины и ее производных. Такое изменение структуры относится не к самоорганизации, а к нелинейным законам регулирования. Нелинейные законы регулирования применяются, в частности, в оптималь­ных автоматических системах.

Точно так же, если бы структура регулятора менялась программным устройством по определенному заданию во времени, это тоже не относилось бы к самоорганизации, так же как программное изменение параметров, рас­сматривавшееся в предыдущем параграфе, не относилось к самонастройке параметров.

Равным образом к самоорганизующимся системам не относятся многие существующие измерительные системы, в которых имеется несколько изме­рительных приборов, основанных на разных принципах измерения одной и той же величины, когда обработка информации от всех этих приборов и их включение и отключение заранее запрограммированы либо во времени, либо в  зависимости  от  размера  и  скорости  изменения  измеряемой  величины. Вообще же возможна, конечно, и самоорганизация в измерительных систе­мах со многими чувствительными элементами.

Рекомендуемые материалы

          В самоорганизующуюся  систему  закладывается  лишь  тот  или  иной определенный критерий качества работы системы или комбинация критериев
для разных внешних условий работы системы. Система сама путем автоматического поиска с применением вычислительных или логических операций выбирает такую структуру (из возможных, имеющихся в ее распоряжении), при  которой  удовлетворяется  заданный   критерий   качества   работы  всей системы. Это делается путем подключения и отключения различных звеньев в некоторой логической последовательности с фиксированием (запоминанием) более удачных структур.

При любой самонастройке и особенно при самоорганизации может быть учтено требование повышения надежности и предусмотрена возможность работы системы при выходе  из  строя  каких-либо   звеньев.

В самоорганизующейся системе, как и прежде, должен быть либо анали­затор, либо оптимизатор качества. Анализатор ставится, когда нужно обес­печить просто заданное в определенных пределах качество. Оптимизатор же предназначается для отыскания и осуществления максимально возможного в данной системе (при данных реальных условиях ее работы)   качества.

В крупном плане общую схему системы можно представить в таких же вариантах, как на рис. В.9 и В.10, по только не с настраивающим устрой­ством, а с логической схемой переключения отдельных звеньев системы в соот­ветствии с сигналами анализатора или оптимизатора. В качестве анализатора здесь тоже может применяться, в частности, математическая эталонная модель объекта с желаемыми свойствами.

Замена такой модели действиями человека позволяет и здесь производить как бы обучение машины человеком. Это совершенно аналогично той карти­не процесса обучения, которая была описана выше в связи с самонастройкой параметров, но здесь имеет место, образно говоря, более высокий уровень обучения.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - Электромагнитная арматура.

Как и прежде, здесь в ряде случаев возможна установка на объект само­организующейся системы регулирования лишь в начальный период его эксплуатации. Затем самоорганизующаяся система может быть снята и заме­нена более простой системой с определенной структурой или со структурой, меняющейся по программе, которая была автоматически выработана в процессе работы самоорганизующейся системы

Очевидно, что при прочих равных условиях самоорганизация, т.е. автоматический поиск наивыгоднейшей структуры системы по результатам анали­за или оптимизации качества ее работы, является процессом более сложным и более длительным, чем самонастройка параметров, а потому пока что зна­чительно более далеким от применения к автоматическому управлению динамическими объектами, где не только поиск, но и сам по себе анализ качества работы требует некоторого промежутка времени. Поэтому здесь опять-таки речь может идти в настоящее время об объектах, работающих в более или менее стационарных условиях, изменяющихся либо медленно, либо редкими скачками.

Как уже отмечалось, к экстремальным и самонастраивающимся системам применяются также термины адаптивные или «приспосабливающиеся» систе­мы и системы с автоматической оптимизацией (в том случае, когда авто­матическая оптимизация используется не в процессе проектирования, а в самой системе регулирования или управления в процессе ее эксплуатации).

Кроме рассмотренных выше существуют различные другие аспекты самоорганизации, самообучения и т.п., которые рассматриваются в литературе по кибернетике, изучающей наиболее общие законы управления и преобразования информации в автоматических системах, в системах связи, в вычи­слительных и других машинах, а также и в живых организмах с общей точки зрения. Чем дальше развивается автоматика в технике и познания в биологии, тем больше появляется аналогий функционирования автомати­ческих систем и живых организмов, в том числе системы высшей нервной деятельности и головного мозга человека. Изучение этих аналогий, рассма­триваемых с общей кибернетической точки зрения, оказывается очень полез­ным как для техники, так и для биологии. В частности, техника автоматиза­ции еще далеко не полностью использует возможности нелинейных законов регулирования, самонастройки, самоорганизации и высокой надежности, которые имеют место в процессах управления и преобразования информации в живых организмах.

В целом ряде систем управления техническими объектами в качестве «звена» замкнутой системы участвует человек-оператор. В связи с этим раз­вивается новая важная область технической кибернетики, называемая инженерной психологией, которая изучает проблемы взаимодействия челове­ка-оператора с автоматикой в системах управления и преобразования инфор­мации. Это приобретает теперь особенно важное значение не только в про­цессах управления производством, по также и в связи с совершенствованием процессов управления скоростными самолетами и в связи с развитием косми­ческих  полетов.

В заключение отметим, что техническая реализация самонастраивающих­ся и самоорганизующихся систем регулирования и управления в большин­стве случаев сложнее, чем систем с нелинейными законами регулирования. Но при этом и возможности самонастраивающихся систем значительно шире. Однако инженер должен иметь в виду, что во многих случаях при помощи нелинейных законов регулирования, проще реализуемых на прак­тике, можно успешно решать ряд таких задач, которые с точки зрения линей­ной теории регулирования считаются требующими самонастройки как нераз­решимые в рамках этой линейной теории.