Понятие об оптимальном управлении

Пусть имеется система управления с ПИД регулятором. Система позволяющая получить наилучшие показатели качества в каком-либо смысле называется оптимальной и реализует оптимальное управление. В системе с ПИД регулятором можно формировать различные переходные процессы в зависимости от параметров регулятора.

Пусть имеется сочетание параметров k, Tи, Тд, обеспечивающие устойчивость АСР. Имеется математическая модель неизменной части (объект управления). Выбирается критерий оптимальности или целевая функция – это может быть один из интегральных методов оценки качества или иной критерий. Кроме того, как правило, имеются ограничения физического характера или граничные условия, налагаемые на различные параметры и воздействия в системе.

Для построения оптимальной СУ при параметрах регулятора, обеспечивающих устойчивость, определяют критерий оптимальности, изменяют один или несколько параметров регулятора и снова вычисляют критерий. Операции повторяются для нахождения минимума целевой функции. Параметры регулятора, обеспечивающие минимум (реже максимум) критерия оптимальности соответствуют оптимальному управлению. В рассмотрении предполагается, что параметры оптимизации независимы.

Для оптимизации по нескольким параметрам одновременно или многомерной оптимизации используются различные методы:

1. Метод координатного спуска;

2. Метод градиентного спуска;

3. Симплекс метод.

На практике обычно пользуются несколькими методами для проверки.

Если в АСР каждый переходный процесс является оптимальным, то систему управления называют равномерно - оптимальной.

Когда нельзя обеспечить оптимальность каждого переходного процесса из-за случайных внешних воздействий, то можно построить статически – оптимальные системы, обеспечивающую оптимальное управление в среднем.

Есть ещё минимаксно - оптимальные системы, то есть лучшую из всех наихудших по заданному критерию, когда нет априорных сведений о вероятностных распределениях воздействий.

Оптимальную систему можно построить, но в процессе эксплуатации меняются как параметры объекта управления, так и параметры регулятора, поэтому с течением времени система перестаёт быть оптимальной. Поэтому желательно иметь систему управления, контролирующую изменение параметров и подстраивающуюся, приспосабливающуюся к текущему состоянию.

Такие системы управления называются адаптивными и имеют следующие особенности:

- Получение и анализ текущей информации об объекте управления (идентификация);

- Решение задачи синтеза системы адаптации по заданному критерию качества;

- Реализация процесса контролируемого изменения свойств системы управления.

Для выполнения этих функций в основной контур управления вводится вычислительное устройство, включающее три взаимодействующих блока – анализатор, синтезатор и исполнительное устройство решающее соответствующие задачи.

По диапазону адаптивных свойств выделяют три основных класса адаптивных систем:

- Самонастраивающиеся системы, обеспечивают контролируемое изменение параметров и управляющих воздействий;

- Самоорганизующиеся системы, обеспечивают контролируемое изменение структуры и возможное изменение параметров и управляющих воздействий;

- Самообучающиеся системы, в которых обеспечивается контролируемое изменение структуры, параметров, алгоритмов управления с использованием опыта функционирования.

БА- блок адаптации, А- анализатор, С- синтезатор, ИУ- исполнительное устройство.

Раздел 9 Основы теории специальных систем

Нелинейные системы

Нелинейной называется система, описываемая нелинейным уравнением и имеющая в своем составе хотя бы один существенно нелинейный элемент.

Особенности нелинейных систем:

1. В отличие от линейных систем, для которых характерны 2 режима работы – устойчивый и неустойчивый – для НС имеет место третий режим – режим устойчивых автоколебаний. В этом режиме система может находиться бесконечно долго. Этот режим может быть рабочим.
2. В отличие от линейных систем для НС неприменим принцип суперпозиции.

1. НС может переходить из одного режима в другой при различных значения воздействий.

1. Не существует единого математического аппарата для исследования НСАР. Есть методы которые определяются для определенного класса НС. В настоящее время самым эффективным методом исследования НС является метод математического моделирования на ЭВМ.

Существует 2 группы НС:

1. системы, которые разрабатывались как линейные, но из-за несовершенства изготовления некоторых элементов или в процессе эксплуатации (за счет износа) элементы носят существенно нелинейный характер (например, появление нечувствительности).
2. системы, которые изначально разрабатывались, как нелинейные.

Типовые нелинейности

НЭ обычно описывается статической характеристикой "вход-выход".

1. Идеальное поляризованное реле с зоной нечувствительности:

, [-а,а] – зона нечувствительности

1. Идеальное реле

,

1. Нечувствительность

, [-а,а] – зона нечувствительности

1. Ограничение (насыщение)

1. Ограничение-нечувствительность

1. Нессиметрия

1. Реле идеальное поляризованное с петлей гистерезиса

, [-а2,-а1], [а1,а2] – зона неоднозначности

1. Реальное реле

1. Люфт

Характеристики 1 – 6 – однозначные характеристики.