Особенности технологии проектирования и эволюция структур робастных ИСУ

Одна из основных задачтехнологии проектирования ИСУ заключается в том, чтобы разработанная (выбранная) структура обладала требуемым уровнем качества управления, заданным уровнем робастности и спроектированный уровень качества управления был оптимальным (поддерживал требуемый уровень надёжности и точности управления в условиях неопределённости информации). При этом одной из приоритетных и трудно решаемых задач технологии проектирования ИСУ является построение робастных БЗ, позволяющих функционировать ИСУ в различных условиях неопределённости информации. Ядро технологии проектирования робастных БЗ НР составляют новые типы вычислений и процессов моделирования.

Использование структур ИСУ, основанных на новых типах вычислений (таких как мягкие вычисления, квантовые вычисления и т.п.), в последние годы привлекают все большее внимание исследователей. Проведенные многочисленные исследования показывают, что они обладают следующими достоинствами:

· сохраняют основные преимущества традиционных систем управления (такие как устойчивость, управляемость, наблюдаемость и т.п.), что составляет основу для технологии проектирования ИСУ;

· имеют оптимальную (с точки зрения заданного критерия качества управления) БЗ, а также возможность её коррекции и адаптации к изменяющейся ситуации управления;

· гарантируют достижимость требуемого качества управления на основе спроектированной БЗ;

· являются открытыми системами, т.е. позволяют вводить дополнительные критерии качества управления и ограничения на качественные характеристики процесса управления.

Одной из основных задач современной теории управления является разработка и проектирование САУ, отвечающих трём основным качествам управления: устойчивость, управляемость и робастность. Перечисленные качества управления обеспечивают требуемую точность управления и надёжность работы ОУ в условиях неполной информации о внешних возмущениях и помехах в каналах измерения и управления, неопределённости структуры или параметров ОУ или слабо формализованных факторах, описывающих цели управления.

Решения данной задачи осуществляются в три этапа:

1. Определяются условия устойчивости ОУ при фиксированных условиях его работы во внешней среде;

2. Формируется закон управления, обеспечивающий устойчивость работы ОУ при заданной точности управления (по заданному критерию оптимального управления);

3. Проверяется чувствительность динамического поведения ОУ на разные классы случайных возмущений и помех.

Данные этапы проектирования рассматриваются современной теорией управления, как относительно независимые и основной проблемой проектирования САУ является определение оптимального взаимоотношения между этими тремя качествами управления.

Рассмотрим конкретный пример структурного моделирования взаимосвязи указанных выше этапов проектирования на нижнем (исполнительном) уровне САУ.

Как известно, основной принцип построения САУ использует биологический механизм глобальной отрицательной обратной связи (ГООС).

На рис.3.1 показана традиционная САУ, основанная на принципе ГООС (см. также Таблица 3.1, позиция 1).

В соответствии с законами автоматического регулирования и теории управления, отношение между выходом линейного динамического ОУ и задающим сигналом (цели управления), определяется следующим уравнением:

(3.1)

где

– передаточная функция регулятора,

– передаточная функция ОУ,

– задающий сигнал,

– выходной сигнал ОУ.

Нетрудно видеть, что формула (3.1), описывающая отношение вход/выход в структуре САУ, требует исследования одновременно двух критериев качества управления: устойчивость и управляемость.

Следовательно, принцип ГООС содержит в себе два указанных выше критерия качества управления. Именно поэтому робастность рассматривалась как третий независимый критерий качества управления, проектирование которого осуществлялось после установления уровней устойчивости и управляемости.

Приведенный пример одновременно указывает на жёсткость структуры САУ, для которой в процессе проектирования трудно установить уровень интеллектуальности и, как следствие, уровень робастности.

Рис. 3.1. Структура САУ, основанной на принципе глобальной отрицательной связи и методе компенсации (минимума) ошибки управления (ПИД-регулятор):

3.1.2. Структурный анализ ИСУ