Краткая история развития теории и техники оптимальных и адаптивных систем

Историки науки считают, что в 40-е годы прошлого века закончился начальный период формирования теории автоматического управления. К этому времени р ешаемые задачи заключались в автоматизации отдельных производственных процессов и управлении стационарными установками или движущимися объектами. Начало 50-х годов для теории и практики регулирования было связано с усложнением объектов, необходимостью управления совокупностью объектов, высокими требованиями к точности и динамике управления. Так, например, развитие ракетно-космической техники и авиации обусловило постановку и необходимость решения принципиально новых проблем: управление многосвязными объектами, построение оптимальных систем стабилизации и терминального управления, управления системами при неполной информации и т.д.

Это привело к интенсивной разработке и широкому практическому применению таких разделов теории, как оптимальное управление (детерминированный и стохастический варианты) и адаптивное управление (в том числе теория экстремальных и самонастраивающихся систем).

В частности, исследования по построению адаптивных систем управления начались в начале 50-х годов прошлого столетия в связи с построением автопилотов для новых самолетов, высота и скорости которых изменяются в широких пределах. Проблема была в том, что характеристики объекта управления сильно и быстро менялись в процессе полета. Соответственно, регуляторы, не учитывающие этих факторов, не могли обеспечить заданное качество управления самолетом.

Однако первые попытки применения принципов адаптивного управления при построении автопилота закончились неудачей, отчасти из-за недостаточно развитой аппаратной базы. После небольшого перерыва исследования по адаптивному управлению продолжились.

Особенно интенсивно теория адаптивного управления развивалась в конце прошлого века, и тогда были достигнуты большие успехи в этом направлении. Сначала практическое применение разработанных алгоритмов адаптивного управления сдерживалось из-за их сложности. Однако в последнее время в связи с большими возможностями современных вычислительных устройств (при их сравнительной дешевизне) методы адаптивного управления нашли практические применения в таких областях, как робототехника, управление самолетами и ракетами, энергетическая система, управление сложными технологическими процессами [62, 69].

В становлении теории оптимального и адаптивного управления большой вклад внесли советские ученые: академик Л.С. Понтрягин и его ученики, чл.-корреспондент АН СССР Н.Н.Красовский, В.С.Пугачев, А.М.Летов, Д.Е.Охоцимский, профессор Фельдбаум; зарубежные ученые Р.Беллман, М.Атанс, Р.Бъюси, Р.Калман и др.

1.2. Оптимальные и адаптивные системы (основные понятия).

Под оптимизацией понимают получение наилучших в некотором смысле результатов в данных (фиксированных) условиях. Очевидно, что применительно к системам автоматического управления оптимизация возможна лишь за счет формирования оптимального управления объектом.

Причем целенаправленно изменять мы можем лишь управляющее устройство.

В рамках систем автоматического управления, обеспечивающих лучшее значение принятого показателя качества, т.е. решающих задачу оптимального управления, можно выделить две большие группы: системы оптимальные и системы адаптивные.

Основное различие этих систем состоит в используемой информации. Информацию, используемую в САУ, разделяют на два вида – начальную (априорную) и рабочую (апостериорную).

К априорной информации обычно относят математическую модель объекта и характеристики возмущающих воздействий. Ее получают, как правило, в результате предварительного теоретического и/или экспериментального исследования объекта управления и используют в процессе синтеза системы управления. Отличительная особенность априорной информации состоит в том, что она получается заранее и практически не обновляется.

Известно, что к системам управления могут предъявляться различные, часто противоречащие друг другу требования, в частности по точности и устойчивости. Задача преодоления этих противоречий может быть достаточно сложной. Для ее решения необходимо иметь априорную информацию в виде математических моделей объекта управления, исполнительного устройства, измерительного устройства. Причем, чем полнее и точнее математическая модель неизменяемой части системы, тем с большей уверенностью можно гарантировать, что спроектированная система будет обладать требуемым качеством.

Рабочая информация, это та информация, которая используется непосредственно в процессе управления для формирования управляющего воздействия. Она получается при помощи измерительных устройств, входящих в состав системы управления.

Определение. Системы автоматического управления, в которых управляющее устройство лишь на основе априорной информации об объекте и условиях его функционирования формирует управление, обеспечивающее наилучшее значение выбранного показателя качества, называют системами оптимального управления.

Подобное определение не является общепринятым и лишь характеризует существенные признаки оптимальных систем автоматического управления (ОСАУ), а именно

● генерация управляющих воздействий, оптимальных в некотором смысле;

● эти управляющие воздействия формируются лишь на основе полной информации об объекте до начала их формирования.

В то же время, часто априорная информация об объекте управления бывает недостаточной или недостоверной. Этому есть несколько причин. Во-первых, для многих современных объектов управления построение модели, отражающей все его существенные свойства, является либо совсем практически неразрешимой, либо требует больших затрат времени и средств. Допустив некоторую неопределенность в математической модели можно существенно снизить сроки проектирования и ввода в эксплуатацию системы управления.

Во-вторых, объект управления в процессе работы САУ может существенно (в больших пределах) изменять свои параметры, часто под действием окружающей среды (т.е. непредсказуемым образом). Это может быть связано со старением элементов, отказами отдельных узлов и блоков и т.п.

В этих случаях заранее определить оптимальное для всего времени функционирование объекта невозможно и для оптимизации САУ необходимо в процессе функционирования накапливать недостающую информацию о динамических характеристиках объекта и условиях его работы. Такое накопление информации делает возможным приспособление (адаптацию) управляющего устройства с целью оптимизации показателей качества системы. САУ, использующие подобные алгоритмы функционирования, называются адаптивными.

Определение. Адаптивными системами автоматического управления (АСАУ) называют системы автоматического управления, не требующие для своего функционирования полной априорной информации об управляемом процессе и автоматически выбирающие параметры или структуру управляющего устройства в зависимости от текущих параметров объекта и условий его работы так, что система достигает при этом наилучших или наперед установленных значений заданных показателей.

В дальнейшем, при детальном изучении обеих групп систем мы уточним введенные определения.