Адаптивное управление
- совокупность методов теории управления, позволяющих синтезировать системы управления, которые имеют возможность изменять параметры регулятора или структуру регулятора в зависимости от изменения параметров объекта управления или внешних возмущений, действующих на объект управления. Подобные системы управления называются адаптивными. Адаптивное управление широко используется во многих приложениях теории управления.
По характеру изменений в управляющем устройстве
адаптивные системы делят на две большие группы:
самонастраивающиеся (изменяются только значения параметров регулятора)
самоорганизующиеся (изменяется структура самого регулятора).
По способу изучения объекта системы делятся на
Поисковые
беспоисковые .
В первой группе особенно известны экстремальные системы, целью управления которых является поддержание системы в точке экстремума статических характеристик объекта. В таких системах для определения управляющих воздействий, обеспечивающих движение к экстремуму, к управляющему сигналу добавляется поисковый сигнал. Беспоисковые адаптивные системы управления по способу получения информации для подстройки параметров регулятора делятся на
системы с эталонной моделью (ЭМ)
системы с идентификатором , в литературе иногда называют, как системы с настраиваемой моделью (НМ).
Адаптивные системы с ЭМ содержат динамическую модель системы, обладающую требуемым качеством. Адаптивные системы с идентификатором делятся по способу управления на
косвенный(непрямой).
При косвенном адаптивном управлении сначала делается оценка параметров объекта, после чего на основании полученных оценок определяются требуемые значения параметров регулятора и производится их подстройка. При прямом адаптивном управлении благодаря учёту взаимосвязи параметров объекта и регулятора производится непосредственная оценка и подстройка параметров регулятора, чем исключается этап идентификации параметров объекта. По способу достижения эффекта самонастройки системы с моделью делятся на
системы с сигнальной (пассивной)
системы с параметрической (активной) адаптацией.
В системах с сигнальной адаптацией эффект самонастройки достигается без изменения параметров управляющего устройства с помощью компенсирующих сигналов. Системы, сочетающие в себе оба вида адаптации называют
комбинированными .
6 ) Самонастраивающаяся система автоматического управления, самоприспосабливающаяся система, в которой приспособление к случайно изменяющимся условиям обеспечивается автоматическим изменением параметров настройки или путём автоматического поиска оптимальной настройки. В любой несамонастраивающейся автоматической системе управления имеются параметры, которые влияют на устойчивость и качество процессов управления и могут быть изменены при регулировке (настройке) системы. Если эти параметры остаются неизменными, а условия функционирования (характеристики управляемого объекта, возмущающие воздействия) существенно изменяются, то процесс управления может ухудшиться или даже стать неустойчивым. Ручная настройка системы часто оказывается обременительной, а иногда и невозможной. Использование в таких случаях С. с. технически и экономически целесообразно и даже может оказаться единственным способом надёжного управления.
С. с. подразделяют на поисковые и беспоисковые. В поисковых С. с. необходимое качество управления достигается в результате автоматического поиска оптимальной (в некотором смысле) настройки (см. Поисковая система). Качество настройки характеризуется некоторым обобщённым показателем, связанным с первичными параметрами настройки сложным, обычно не вполне стабильным и недостаточно известным соотношением. Этот показатель измеряется непосредственно или вычисляется по измеренным значениям первичных параметров. Параметрам настройки в С. с. придаются поисковые или пробные изменения. Анализ колебаний показателя качества настройки, вызванных поисковыми воздействиями, позволяет установить, является ли настройка оптимальной, т. е. соответствующей экстремуму (максимуму или минимуму) показателя качества. Если имеют место отклонения от экстремума, то настройка изменяется до тех пор, пока не приблизится к оптимальной. Поисковые С. с. могут работать при изменении внешних условий в широких пределах.
Беспоисковые С. с. имеют перед поисковыми системами определённое преимущество, обусловленное тем, что поиск оптимального состояния отнимает значительное время, т. е. время самонастройки поисковых систем ограничено снизу. В беспоисковых С. с. используется некоторый контролируемый показатель качества управления (например, значение производной контролируемого параметра по времени). Автоматической настройкой параметров этот показатель поддерживается в заданных пределах. В зависимости от вида показателя различают С. с. с контролем переходных процессов, с контролем частотных характеристик, с эталонной моделью и др. Всё это - замкнутые беспоисковые С. с. с замкнутым контуром самонастройки, в котором параметры настройки автоматически изменяются при выходе показателя качества за допустимые пределы. Некоторые замкнутые беспоисковые С. с. близки к обычным нелинейным системам автоматического управления с пониженной чувствительностью к характеристикам объекта - к таким, например, как релейные системы или управления системы с переменной структурой. Наряду с замкнутыми применяют также разомкнутые С. с. - т. н. системы параметрической компенсации. В этих С. с. контролируются воздействия, вызывающие изменение свойств объекта, и по заранее рассчитанной программе изменяются параметры настройки системы; контур самонастройки в этом случае разомкнут. Такая самонастройка может быть почти мгновенной, однако её осуществление требует контроля окружающей среды и достаточно точного знания законов воздействия среды на управляемый объект.
Самонастройка реализуется как специальной аппаратурой (в виде блоков самонастройки или самонастраивающихся экстремальных регуляторов), так и адаптивными алгоритмами центральных управляющих ЦВМ. Придание алгоритмам управления свойств самонастройки (адаптации) существенно расширяет возможности управления разнообразными процессами. Внедрение С. с. позволяет приблизиться к оптимальным режимам функционирования объектов, облегчает задачу унификации систем управления, сокращает время на испытания и наладку, снижает технологические требования на изготовление ряда узлов устройств управления, освобождает обслуживающий персонал от трудоёмких операций настройки. Практическое использование С. с. и самонастраивающихся алгоритмов - одна из характерных черт технического прогресса в области управления.
©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-12
Система адаптивного управления организацией
А.В. Прибора,
аспирант кафедры экономики и инноватики
В последнее время в России резко возрос интерес к инновационным моделям управления. Многие руководители уже ощутили сложности при попытках оптимизировать затраты, используя классическое решение, не учитывающее специфику той или иной отрасли. Как раз в этот момент четко проявляется необходимость иметь перед глазами модель деятельности организации, которая отражала бы все механизмы и принципы взаимосвязи различных подсистем в рамках одного бизнеса.
Необходимость оперативного реагирования на конъюнктуру рынка и быстро меняющуюся экономическую ситуацию требует перестройки внутренней экономики организации, постановки управленческого учета, оптимизации процессов управления и многих других совершенствований.
Одним из таких улучшений является внедрение системы адаптивного управления, цель которой заключается в поиске наиболее эффективных вариантов принятия и исполнения сбалансированного решения, направленного на адаптацию развития организации. Такое решение не должно основываться на одной только менеджерской интуиции.
Управление организацией должно иметь некоторую цель, что необходимо для фиксирования результатов управления. В качестве примеров целей управления можно привести снижение затрат на производство, увеличение рентабельности, выход на новый рынок, повышение прибыли и др. Цель процесса управления должна быть сформулирована явно и, по возможности, с применением количественных оценок .
Процесс управления организацией реализуется в рамках системы управления, которая существует в любой организации и функци-
онирует на основе установленных документально (положения о подразделениях, должностные инструкции и т. п.) или сложившихся практически правил . На каждом уровне иерархии системы управления в той или иной степени реализуется набор функций управления.
В процессе управления организацией необходимо эффективное решение комплекса задач, основные виды которых в общем случае сводятся к управлению финансами, производством, кадрами, сбытом и снабжением.
Также важное место в организации занимает бухгалтерский учет - необходимый для получения бухгалтерской информации и управленческий учет, направленный на получение информации для детального анализа деятельности организации, прогнозирования и принятия решений.
Данные, полученные в ходе бухгалтерского учета, используются главным образом в качестве одной из основ для принятия решений управленческого учета, так же интересны внешним пользователям - кредиторам, акционерам, инвесторам, фискальным органам. Но, к сожалению, существующая система бухгалтерской отчетности все в меньшей степени отвечает современным требованиям к полноте, достоверности, оперативности информации, необходимой руководству организации .
Управленческий учет представляет собой систему выявления, измерения, сбора, регистрации, интерпретации, обобщения, подготовки и предоставления важной для принятия решений по деятельности организации информации и показателей высшему менеджменту для принятия последним различных управленческих решений.
Адаптивное управление, в частности, использует управленческий учет для управления деятельностью организации путем реализации следующей циклической последовательности действий: оценка текущего состояния - принятие управленческих решений - составление плана реализации принятых решений - контроль реализации плана - анализ нового текущего состояния.
Изначально адаптивное управление применялось в области обработки информации в нелинейных динамических системах. Применительно к экономическим объектам, адаптивное управление - относительно новое понятие, принципиально отличающееся от широко известных типов управления .
Понятие «адаптивное управление» было заимствовано из теории управления сложными техническими системами. В экономике различают два основных способа управления:
Управление по отклонениям, которое называется регулированием;
Управление по целям, которое называют адаптивным управлением.
В сфере управления предприятием эти способы означают, что в первом случае заранее разрабатываются планы деятельности предприятия, и смысл управления сводится к тому, чтобы уменьшить отклонения от этих планов, а во втором случае достигнутые текущие результаты регулярно сравниваются с целевыми показателями, и управленческие решения направляются на то, чтобы уменьшить отклонения от целей. Другими словами, адаптивное управление - это выбор оптимального способа достижения цели, это способ управления, при котором сохраняются неизменными целевые показатели, а текущие, краткосрочные и среднесрочные планы и бюджеты при наличии отклонений могут быть скорректированы.
Адаптивное управление требует наличия трех инструментов:
Инструмента прогнозирования, чтобы можно было оперативно оценивать, к каким результатам (например, к каким финансовым показателям) приведет текущее состояние дел на предприятии;
Инструмента корректировки планов, чтобы можно было оперативно менять устаревшие планы, если они перестали «продвигать» предприятие к цели;
Инструмента «обратной связи» с текущими результатами деятельности, то есть системы оперативного управленческого учета.
Адаптивное управление опирается на прогнозирование возможного поведения управляемого экономического объекта с помощью комплексов математических моделей и дает возможность принять научно обоснованное управленческое решение на основе анализа моделируемых последствий. Адаптивные системы эффективны, когда параметры объекта управления меняются во времени, это открытые системы, применяемые к сложным динамическим объектам, работающим в условиях неопределенности .
По мере использования в практике адаптивного управления сформировались устойчивые постулаты - принципы адаптивного управления:
Принцип вариативности решений предполагает возможность различных вариантов решения задач, умение осуществлять систематический отбор вариантов, сравнивать их и находить оптимальный вариант.
Принцип прозрачности гарантирует максимально полный учет интересов различных участников управленческого процесса.
Принцип информационной обеспеченности подразумевает наличие единого информационного пространства.
Принцип устойчивости и адаптивности определяет умение перестраиваться и приспосабливаться к новым условиям. Это является существенным фактором устойчивого положения в конкурентной среде.
Принцип иерархичности исходит из того, что промышленные предприятия - сложная система со множеством подчиненных подсистем, реализуемые через принципы системной координации и субординации, т. е. обусловливает упорядоченность связей по горизонтали и вертикали.
Принцип рефлексивности развивает формирование управленческого воздействия на изменения, чем существенно снижает неопределенность и риск принимаемого решения.
Принципы демократизации и гуманизации выражаются в вовлечении персонала в деятельность промышленного предприятия, что отражается в изменении стиля организационного поведения, в делегировании ответственности, в качестве продукции и мотивации персонала, в создании управленческой команды, а также в вовлечении работников в обсуждение вопросов, касающихся их производственной деятельности, и использовании положительных моментов групповой самоорганизации.
Принцип эффективности управления состоит в том, чтобы оно было направлено на создание современной материальной базы, на формирование квалифицированного и мотивированного персонала и их влияние на систему управления .
Основой формирования адаптивного управления практически любой организации является конкурентный анализ, т. е. анализ внешней ситуации, позволяющий сформировать профиль конкурентной среды по оценке важности факторов конкурентного воздействия. В полиграфии внешнее окружение промышленного предприятия становится конкурентной средой в тех случаях, когда субъекты бизнеса реализуют в своей деятельности схожую печатную продукцию. Конкурентный анализ среды включает следующие взаимосвязанные процедуры:
1. Сбор мнений специалистов по выделению факторов конкурентного воздействия на функционирование и развитие организации путем анкетного опроса.
Для оценки конкурентной среды эксперты выбирают факторы, оказывающие доминирующее влияние:
Прямого воздействия - законодательно-правовая база; конкуренты; поставщики;
Потребители; косвенного воздействия - экономические факторы; технологические факторы; социально-культурные и политические факторы.
2. Экспертный опрос менеджеров качественных оценок факторов.
Оценка значимости факторов конкурентного воздействия на функционирование и развитие организаций проводится по параметрам адаптивной модели. Разработчики анализа определяют максимальную балльную оценку, которая экспертом не может быть превышена. Инструментом измерения является шкала: 1, если влияние очень слабое; 2, если слабое; 3, если существенное; 4, если значительное; 5, если сильное.
3. Расчет важности факторов конкурентного воздействия на функционирование и развитие организации.
Повторный опрос экспертов проводится с целью определения весовых коэффициентов, т. е. числовых параметров, отражающих значимость, относительную важность, «вес» данного фактора в сравнении с другими факторами, оказывающими конкурентные воздействия на функционирование и развитие организации. Вес выставляется по следующему правилу: номер фактора по каждой группе соответствует степени значимости. Установлено, что суммарный вес группы равен 1. Если эксперт признает несколько факторов равнозначными, то им присваивается одинаковый вес. Расчет важности фактора определяется как произведение веса фактора и балльной оценки, выставленной экспертом. Затем, формируется сводная матрица важности факторов конкурентной среды. Важность фактора показывает значимость каждого фактора конкурентного воздействия на функционирование и развитие промышленных предприятий.
4. Визуализация оценки факторов конкурентного воздействия на функционирование и развитие организации.
Визуализация является самым надежным способом предварительного просмотра и объективной оценки конечного результата принятия и исполнения решения. Визуализация максимально расширяет представление профиля конкурентного воздействия на функционирование и развитие организации. Визуализация позволяет выполнить критический синтез всех параметров с помощью цветовых решений.
5. Установка связи факторов конкурентного воздействия на функционирование и развитие организации и сфер деятельности .
Предполагается, что каждая сфера деятельности является объектом управления, требующим нововведений в формализации знаний и опыта как следствие адаптации, т. е. настройки параметров под позитивный опыт лица принимающего решения. Под адаптацией понимается процесс изменения параметров адаптивной модели и структуры системы управления под текущее предпочтение лица принимающего решение. Существует связь между сферами деятельности и факторами конкурентного воздействия, которая позволит выполнить критический анализ каждого фактора. Теоретические положения оценки конкурентного воздействия на функционирование и развитие организации включает в себя конкурентный анализ и инструментарий его проведения.
Главным методом развития адаптивного управления является анализ и обобщение практического опыта промышленных предприятий, которые превращают свою деятельность в искусство. Практика показала, что чаще других к адаптации прибегают организации в сфере промышленности и сельского хозяйства.
Целью адаптивного управления, как и любого предприятия в целом, является повышение конкурентоспособности. Для ее достижения нужно решить взаимосвязанные и при этом зачастую противоречивые задачи:
Обеспечить качество продукции, учитывая, что современные требования к качеству расширились на весь жизненный цикл изделия, включая сервисное обслуживание, ремонт и даже утилизацию;
Обеспечить инновационность решений, то есть возможность быстро заменять морально устаревшую продукцию на новые изделия, гибко реагировать в этом отношении на требования рынка, при необходимости оперативно модернизировать производство;
Сокращать сроки вывода новой продукции на рынок;
Снижать себестоимость продукции и услуг .
Механизмы адаптивного управления, реализуемые в системе управления предприятием, позволяют управлять всеми перечисленными параметрами на всех этапах жизненного цикла производимой предприятием продукции. Переход на адаптивное управление позволит предприятиям намного быстрее реагировать на изменения, при этом соблюдая разумное соотношение между внутренними возможностями компании и внешними условиями, диктуемыми рынком, обеспечит информационную прозрачность бизнеса, сэкономит ресурсы, расходуемые на выполнение планов, позволит принимать адекватные управленческие решения в соответствии с целями предприятия. В полиграфической отрасли, где книга проходит длинный путь от издательства до читателя, это имеет особенно важное значение.
Библиографический список
1. НовиковД.А. Теория управления организационными системами. - 2-е изд. / Д.А. Новиков. - М. : Научлит, 2007. - С. 59-61.
2. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического регулирования / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. - СПб. : Профессия, 2004. - С. 17-19.
3. Погребный А.А. Методы адаптивного управления промышленным предприятием / А.А. Погребный; автореферат дис. - СПб., 2007. - С. 28.
4. Бушмелева Г.В. Адаптивное управление промышленными предприятиями в конкурентной среде / Г.В. Бушмелева; автореферат дис. - Ижевск, 2009. - С. 12-19, 22.
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Адаптивное_управление
Первый способ адаптивного управления, в котором используется адаптивное моделирование, имеет следующий принцип действия. С помощью адаптивного моделирования формируется модель управляемой системы, которая используется для определения ее входных сигналов, приводящих к необходимым сигналам: на ее выходе.
Затем эти входные сигналы управления подаются на вход действительной управляемой системы, в результате чего сигналы на ее выходе являются близкими к требуемым. Такой вид управления в некотором смысле не имеет обратной связи, НО в действительности петля обратной связи замыкается через адаптивный процесс.
Для иллюстрации этого метода рассмотрим систему регуляции кровяного давления, приведенную на рис. 11.3. Ее экспериментальные исследования проводились студентами Станфордского университета. Цель этих исследований - разработка системы управления с петлей обратной связи для регуляции кровяного давления пациента. В этом случае, как показано на рис. 11.3, входной сигнал управляемой системы - поток лекарства, а выходной сигнал - кровяное давление. Опыты проводились с собаками.
Для управления кровяным давлением животному вводят сильно действующее лекарство арфонад. Это лекарство влияет на естественную систему регуляции кровяного давления и приводит к состоянию, аналогичному продолжительному состоянию шока. При этом кровяное давление может упасть до нуля, вызвав у животного необратимые процессы. Чтобы предотвратить это явление, медленно, в течение многих часов, для повышения кровяного давления вводится стимулирующее мышцу лекарство норепинефрин; ЭВМ непрерывно фиксирует кровяное давление и регулирует дозу вводимого лекарства. Конечная цель этой работы - разработка адаптивных систем управления.
На рис. 11,4 приведены характерные динамические характеристики реакции среднего кровяного давления животных на изменения дозы вводимого лекарства. Форма кривой зависит от размеров, вида и особенно состояния животного.
Рис. 11.3. Система управления с замкнутой обратной связью для регуляции кровяного давления
Рис. 11.4. Характерные отклики среднего кровяного давления на скачкообразные изменения дозы вводимого стимулятора
Животное с хорошим состоянием здоровья реагирует на небольшое увеличение дозы лекарства установлением в конечном итоге первоначального уровня кровяного давления. Больные животные не в состоянии компенсировать даже умеренное увеличение дозы, и, следовательно, кровяное давление возрастает известным образом и уровень его остается высоким. У животных наблюдается большой разброс характеристик реакции на стимулятор мышечной деятельности. Обычно время начала реакции животного составляет 10... 20 с, а кровяное давление устанавливается в течение 50... 100 с.
Приведенная на рис. 11.3. система не является, как это может показаться, обычной системой управления с обратной связью. Динамическая характеристика реакции животного (включая задержку до начала реакции) часто имеет слишком большой разброс, чтобы ею управлять с использованием обычной обратной связи.
На рис. 11.5 приведена структурная схема адаптивной системы управления. Описанные ниже функции, выполняемые устройством вычисления сигнала управления и адаптивной моделью, а также функции обработки данных, не приведенные на рис. 11.5, но необходимые для лабораторной установки, реализованы с помощью мини-ЭВМ.
Рис. 11.5. Структурная схема адаптивной модели для системы управления, показанной на рис. 11.3
Буферное устройство, в котором запоминаются и хранятся значения каждого отсчета на время интервала между отсчетами, является частью электронной системы сопряжения ЭВМ и сделанного из соленоида клапана для ввода лекарства. Интервал между отсчетами составляет 5 с. В течение каждого интервала адаптивная модель подстраивается, и, как описано ниже, производится вычисление новой дозы (выражаемой числом капель в минуту).
Адаптивная модель на рис. 11.5 представляет собой фильтр с конечной импульсной характеристикой, имеющей 20 весовых коэффициентов (L= 19) и общей временной задержкой 95 с. Чтобы учесть среднее кровяное давление при отсутствии лекарства, вводится весовой коэффициент смещения . Из рис. 11.5 следует, что адаптивная модель является моделью, описанной в гл. 9. Вместо заданного линейного компенсатора, значения весовых коэффициентов которого не зависят от параметров входного сигнала, здесь используется адаптивный процесс автоматической перестройки весовых коэффициентов, осуществляемый таким образом, чтобы для данных параметров входного сигнала эта модель обеспечивала минимальную СКО относительно отсчетов последовательно включенных буферного устройства и управляемой системы. При проведении опытов использован метод наименьших квадратов.
Снова обратимся к рис. 11.5. При правильной работе система приводит к тому, что кровяное давление животного изменяется в соответствии с сигналом управления кровяным давлением . На основе этого сигнала, а также вектора весовых коэффициентов и вектора входных сигналов (отражающего состояние адаптивной модели) формируется сигнал управления .
Рассмотрим теперь принцип действия устройства вычисления сигнала управления.
Предположим, что в результате адаптивного процесса значение сведено к нулю, т. е. это устройство должно из получить такое при котором были бы равны. Тогда при их равенстве (и при малом значении ) сигнал на выходе управляемой системы приближенно равен Таким образом, в схеме на рис. 11.5 устройство вычисления сигнала управления по существу должно стать обратной адаптивной моделью. Поскольку в управляемой системе имеется задержка, обратная модель должна быть предсказывающей.
Обратная модель строится следующим образом. В соответствии с алгоритмом наименьших квадратов на каждой итерации перестраивается полный вектор весовых коэффициентов . В адаптивной модели, если считать, что равны, для итерации имеем
Следовательно, для устройства вычисления сигнала управления
Для обратной модели такого вида необходимо полагать, что так возбуждает управляемую систему, что возможно адаптивное моделирование. Если это не так, то в ее входной сигнал можно ввести небольшой сигнал возбуждения.
Кроме того, необходимо предположить, что в (11.1) не стремится к нулю, но это не гарантируется при использовании метода наименьших квадратов. В действительности, когда управляемая система имеет задержки, такие, как время до начала реакции на рис. 11.4, стремится к малому значению и является зашумленным, а вычисленное по (11.2) значение может быть очень большим и колебаться в широких пределах, так как при вычислениях необходимо деление на . Следовательно, в системе управления кровяным давлением, где нежелательны большие дозы лекарства и, вообще говоря, невозможны отрицательные дозы, адаптивная часть схемы видоизменяется с учетом задержки реакции.
Это видоизменение состоит в том, что несколько первых весовых коэффициентов адаптивной модели приравнивается нулю. Их число соответствует известному априори времени задержки (времени до начала реакции) управляемой системы. Предположим, например, что приравнены нулю первые два весовых коэффициента, . Тогда текущее и предыдущее значения входного сигнала адаптивной модели не влияют на ее выходкой сигнал, а значения влияют.
Выбирая входные сигналы такими, при которых текущий выходной сигнал модели равен имеем
На основании этого результата можно, как в (11.2), вычислить но фактически необходимо знать Поэтому осуществим в (11.3) сдвиг на два временных шага вперед, тогда
Положим теперь, что весовые коэффициенты меняются медленно, тогда вместо будущих можно брать текущие значения весовых коэффициентов. В этом случае, снова полагая равными, имеем
В этом соотношении необходимо знать входной сигнал управления на два временных шага вперед. Иногда известны будущие значения этого сигнала и можно использовать (11.5). Если известно только значение то (11.5) можно видоизменить:
При использовании (11.6) выходной сигнал модели соответствует сигналу управления, задержанному на два временных шага. Таким образом, эта задержка не связана с задержкой прохождения сигнала через управляемую систему.
Система на рис. 11.5 многократно применялась в экспериментах по регуляции среднего кровяного давления животных и управлению им. В этих экспериментах стандартное отклонение из-за шума в приборах, измеряющих кровяное давление, составляло от 5 до 10 мм рт. ст. Обычно среднее кровяное давление регулируется с точностью до 2 ... 4 мм рт. ст. в установившемся состоянии, а в экстремальных условиях точность может превысить 5 ... 10 мм рт. ст. Характерное время установления составило порядка 2 мин, что несколько превышает общий временной интервал, перекрываемый адаптивной моделью управляемой системы. Для возможно более быстрого запуска системы начальные значения весовых коэффициентов в процессе моделирования обычно выбирают на основании предыдущего опыта. Выбор этих начальных значений не является критичным.
На рис. 11.6-11.9 представлены результаты экспериментов по управлению кровяным давлением животных. В ходе экспериментов нормальной собаке был введен арфонад, после чего кровяное давление поднялось, как показано на рис. 11.6.
Рис. 11.6. Фактические зависимости, полученные для здоровой и больной собак при ручном и автоматическом управлении
Две верхние кривые показывают соответственно действительное среднее кровяное давление и выходной сигнал модели, которые очень близки друг к другу даже в моменты таких сильных стрессов, которые возникают после введения арфонада.
В начале эксперимента доза лекарства (нижняя зависимость на рис. 11.6) устанавливалась вручную на уровне 10 капель/мин. После введения арфонада эта доза доведена до 20 капель/мин. При падении кровяного давления доза лекарства возрастает. После этого и далее управление дозировкой лекарства было передано автоматической системе (на кривой этот момент помечен крестиком). Уровень давления задавался с клавиатуры ЭВМ, этот уровень помечен крестиком на верхних кривых. Далее система управления должна была поднять кровяное давление животного до этого значения и поддерживать его при наличии естественных возмущений.
Рис. 11.7. Фактические зависимости, полученные при управлении кровяным давлением больной собаки
Рис. 11.8. Фактические зависимости, полученные при управлении кровяным давлением относительно его установленного значения
Средняя кривая отражает ход среднего значения СКО (по логарифмической шкале), являющейся разницей между сигналами управляемой системы и адаптивной модели.
Длительность выборки, обрабатываемой адаптивной моделью, равна 95 с. Эта модель представляет собой адаптивный трансверсальный фильтр с 20 отводами с задержкой между ними 5 с. После включения автоматического управления кровяное давление устанавливается примерно за 5 мин. Таким образом, это время приблизительно в 3 раза больше длительности выборки, что является достаточно коротким интервалом для адаптивной системы управления.
На рис. 11.6 фактически приведена часть кривой длительного наблюдения в течение нескольких часов, когда ЭВМ управляла кровяным давлением животного, находящегося под различной степенью воздействия арфонада. С точки зрения управления результаты оказались положительными и характерные кривые приведены на рис. 11.7 и 11.8.
Записи данных на рис. 11.6-11.8, которые несколько перекрываются по времени, представляют собой реакции на изменяющиеся значения давления.
Рис. 11.9. Импульсная характеристика модели на рис. 11.5 в различные моменты времени
В каждом случае давление устанавливалось примерно за 5 мин. На рис. 11.9 показаны значения весовых коэффициентов модели с конечной импульсной характеристикой, снятые в некоторые моменты времени в процессе наблюдения. Значения весовых коэффициентов соответствуют значениям сигнала на отводах фильтра и поэтому совпадают с импульсной характеристикой. Весовой коэффициент смещения на рис. 11.5 является двадцать первым. Импульсная характеристика на верхнем графике рис. 11.9 снята перед введением арфонада; как видно, животное очень чувствительно к лекарству, стимулирующему мышечную деятельность. Следующий график снят после введения арфонада перед включением автоматического управления, Форма характеристики несколько изменилась и существенно изменился уровень чувствительности. С течением времени в импульсной характеристике животного не произошло других сильных изменений, что также рассматривается как важный результат.
Итак, описана система управления с ЭВМ в реальном времени, предназначенной для регуляции кровяного давления животного, находящегося в состоянии продолжительного шока. Система управляет дозой вводимого лекарства стимулирующего действия и фиксирует кровяное давление. Для формирования требуемого входного сигнала управления значениями кровяного давления использована адаптивная модель реакции кровяного давления животного на лекарство. В качестве модели использован адаптивный линейный сумматор, а сигнал управления вычисляется на основе импульсной характеристики модели. Этот метод управления основан на методе адаптивного моделирования неизвестной системы.
промышленными роботами.
В соответствии с различными определениями термина «адаптация», в задачах робототехники различают два типа адаптивных систем управления.
1. Адаптивные (очувствленные) системы управления, имеющие в своем составе сенсорные устройства, обеспечивающие получение информации о состоянии среды и (или) свойствах отдельных объектов. Полученная от сенсоров информация перерабатывается с целью решения различных задач, связанных с формированием управляющих сигналов (адаптация в широком смысле).
2. Адаптивные (обучающиеся) системы управления, в которых для обработки информации о состоянии среды и (или) о состоянии отдельных звеньев или подсистем робота применяются адаптивные алгоритмы, т.е. алгоритмы, способные изменяться под воздействием текущей или обучающей информации с целью оптимизации качества решения задачи в условиях неопределенности (адаптация в узком смысле).
Роботы, основанные на применении первого из указанных типов управления, называются адаптивными . Системы управления роботами, реализующими второй способ адаптивного управления, называют системами управления с адаптивными (или обучающимися) алгоритмами обработки информации .
Основным признаком для адаптивных систем управления первого типа является наличие сенсорной системы, получающей информацию о внешнем мире. Для адаптивной системы управления (или адаптивной системы переработки информации) главным признаком служит использование приспосабливающихся (адаптивных алгоритмов) обработки информации в изменяющихся условиях. Для реализации обучающихся систем управления (переработки информации) необходимым условием является наличие «учителя» и процесса обучения.
Возможно применение обоих принципов адаптации, когда в системе управления имеется сенсорная подсистема, и в одной или нескольких подсистемах применяются адаптивные алгоритмы переработки информации.
Рассмотрим классификацию адаптивных (очувствленных) систем управления первого типа (адаптация в широком смысле).
По функциональному назначению самого робота эти системы могут быть разделены на адаптивные системы управления манипуляционными и подвижными роботами. Классификация подвижных роботов будет рассмотрена позже.
Наиболее важными признаками для классификации рассматриваемых адаптивных систем управления являются характеристики применяемых сенсорных устройств.
По признаку моделирования функций биосенсоров технические сенсоры можно классифицировать на визуальные, слуховые, тактильные и кинестетические.
Визуальные сенсоры обеспечивают дистанционное получение информации о геометрических и, возможно, некоторых физических характеристиках внешней среды (цвет, свойства грунта). Существует большое число технических средств, которые могут быть применены для решения этой задачи: телевизионные системы различного типа, оптико-электронные приборы с зарядовой связью (ПЗС) и фотодиодные матрицы и линейки, различные локационные устройства.
Слуховые (акустические) сенсоры предназначены для восприятия звуковых колебаний и идентификации на их основе соответствующего акустического образа. Важное значение звуковые устройства имеют для организации речевой связи между человеком-оператором и роботом.
Тактильные сенсоры позволяют фиксировать контакт с объектами внешней среды. Они широко применяются для очувствления схвата манипулятора и корпуса робота.
Кинестетические сенсоры в живых организмах формируют мышечное чувство, позволяющее получить информацию о положении отдельных органов и усилиях в них.
Аналогичные задачи решаются в технике с помощью датчиков положения , скорости, измерителей усилий и моментов. По информации от датчиков усилий и моментов в шарнирах манипулятора могут быть определены и силомоментные характеристики взаимодействия с внешними объектами.
Для решения разнообразных задач адаптивные роботы должны иметь соответствующие «радиусы очувствления », т.е. воспринимать сенсорную информацию на требуемом расстоянии от ее источника. Биосенсоры по этому признаку делятся на дистантные (рецепторы зрения, слуха и обоняния) и контактные , определяющие параметры самой среды или процесса взаимодействия с ней только при непосредственном соприкосновении рецептора со средой (рецепторы осязания и вкуса).
Технические сенсоры по указанному признаку можно разделить на сверхближние (контактные), ближние, дальние и сверхдальние. Сверхближними сенсорными устройствами являются тактильные и кинестетические сенсоры, датчики пройденного пути, измерители плотности.
Сенсорные устройства ближнего и дальнего действия позволяют получать бесконтактным способом информацию о внешней среде вблизи робота (например, с помощью локационных сенсоров схвата) и в объеме всей рабочей зоны соответственно. Наиболее важное значение среди сенсоров дальнего действия имеют различные визуальные системы (системы технического зрения).
Сенсорные устройства сверхдальнего действия могут применяться для управления транспортными и исследовательскими роботами в составе различных навигационных систем.
Перейдем к рассмотрению областей применения и классификации систем управления с адаптивными алгоритмами обработки информации (адаптация в узком смысле). Адаптивные алгоритмы и системы, разрабатываемые для решения различных робототехнических задач (восприятия внешней среды, управления и планирования), могут классифицироваться в зависимости от типа структур, реализующих выбранные способы представления априорной, текущей и обучающей информации. Существенное значение для характеристики различных адаптивных систем имеют объем и структура памяти, реализующей модель среды, а также быстродействие процессов адаптации.
Рассмотрим некоторые задачи адаптации и обучения, которые могут возникать при создании алгоритмического обеспечения подсистем робота.
1. Исполнительный уровень . На исполнительный уровень поступают сигналы, определяющие необходимые изменения обобщенных координат, степеней подвижности эффекторной системы. Исполнительный уровень обычно представляет собой привод - электрический, пневматический или гидравлический, с помощью которого обеспечиваются требуемые усилия в каждой из степеней подвижности. Эти усилия определяются весовыми и геометрическими характеристиками объектов, которые робот должен перемещать. В зависимости от этих характеристик изменяется нагрузка привода, причем качество работы привода может при этом существенно ухудшиться. Кроме того, изменение трения и зазоров в шарнирах кинематической цепи эффекторной системы также влияет на динамические характеристики привода. Поэтому в ряде случаев необходимо применять принципы адаптации для построения привода, обеспечивающего требуемое качество работы исполнительного уровня в условиях указанных изменений характеристик «внешней среды».
2. Тактический уровень . Тактический уровень «раскладывает» требуемое движение рабочего органа на соответствующие перемещения степеней подвижности. В живых организмах при нарушении работы одного из суставов (или одной конечности) происходит соответствующее изменение режима работы других суставов (или конечностей) с целью выполнения требуемого движения. Обычно робот (манипуляционный или локомоционный) обладает избыточным числом степеней подвижности, что обеспечивает принципиальную возможность построения адаптивного тактического уровня, автоматически перестраивающего работу приводов исполнительного уровня при резком ухудшении характеристик или выходе из строя одного из них.
3. Распознавание объектов и анализ сцен. Как правило, адаптивный робот взаимодействует с трехмерными объектами, которые могут быть произвольно ориентированы и расположены в различных местах зоны действия робота. Сигналы, поступающие от сенсорной системы, для каждого случая расположения объектов будут различны. Для построения системы восприятия может оказаться целесообразным применение принципов построения обучающихся систем распознавания образов, теория которых интенсивно развивается.
4. Система планирования . Процессы обучения в системе планирования обычно тесно связаны с преобразованием информации в модели среды. Это процессы рассматриваются обычно как характерная черта искусственного интеллекта. Один из возможных вариантов процесса обучения в системе планирования может заключаться в следующем. Положим, что робот может по определенным правилам формировать план действий в некоторой ситуации. Кроме того, существует возможность изменения этих правил на основе приобретения опыта. Например, если робот должен составлять последовательно планы для ряда ситуаций, в какой-то степени подобных друг другу, то при наличии механизма обучения составление плана после рассмотрения ряда ситуаций может протекать существенно быстрее, чем это имело место для первоначальной ситуации. Таким образом, робот приобретает некоторый «навык» для выполнения ряда операций, «близких» в каком-то отношении друг к другу.
5. Система связи с внешней средой. Эта система может иметь различные уровни сложности и разную физическую природу сигналов, которые она способна воспринимать от человека или автомата и передавать им. Задача организации диалога с роботом может рассматриваться в рамках общей проблемы построения диалоговых систем.
Здесь также возможна постановка задач адаптации и обучения на различных уровнях, начиная от задач распознавания акустических или визуальных сигналов и кончая задачей понимания смысла отдельных предложений и (или) достаточно сложной графической информации (чертежей, схем и т.д.).
Адаптивные алгоритмы обработки информации, разрабатываемые применительно к различным робототехническим задачам, могут также классифицироваться в соответствии с математическими методами , положенными в основу их формирования. В соответствии с этим признаком адаптивные алгоритмы могут быть разделены на аналитические, логические, структурные и реляционные . Указанные математические подходы также могут быть применены и для формирования описаний внешней среды, необходимых для решения различных задач обработки информации в робототехнической системе.
Аналитические методы применяются при формировании адаптивных алгоритмов функционирования эффекторной и сенсорной подсистем. Логические, структурные и реляционные методы могут применяться для построения адаптивных алгоритмов обработки информации в сенсорной подсистеме и подсистеме планирования.
В некоторых случаях оказывается целесообразным применять адаптивные алгоритмы только для обработки информации на этапе создания алгоритмического и программного обеспечения, т.е. в качестве одного из подходов при формировании автоматизированной системы проектирования этого обеспечения. Целесообразность такого применения методов адаптации (в узком смысле) применительно, например, к сенсорной подсистеме определяется следующими обстоятельствами.
В ряде случаев изменения в проблемной среде робототехнической системы возникают только при изменении номенклатуры транспортируемых или изготавливаемых изделий. Поэтому адаптация имеющегося в системе управления алгоритмического и программного обеспечения к обработке вновь поступающей информации может осуществляться не в ЭВМ нижнего уровня, непосредственно вырабатывающей сигналы управления, а в ЭВМ более высокого уровня, где может производиться необходимая модификация программ (или выбор оптимальных параметров в алгоритмах обработки информации). Один из методов автоматизации этого процесса модификации программного обеспечения может быть основан на применении соответствующих адаптивных алгоритмов. После необходимой коррекции программы с ЭВМ высшего уровня передаются по линии связи на ЭВМ нижнего уровня.
Приспосабливающиеся (адаптивные) системы – системы, у которых управляющие параметры или алгоритмы управления адаптируются к возмущающим воздействиям с целью оптимального управления системой. В условиях, когда другие системы с заранее заданными входными параметрами и структурой не могут обеспечить требуемое управляющее воздействие из-за изменения динамических характеристик объекта управления, применяются адаптивные системы.
По способу управления адаптивные системы подразделяются на:
Самонастраивающиеся системы
Самоорганизующиеся системы
Самообучающиеся системы
Самонастраивающиеся системы – системы, желаемое управляющее воздействие которых достигается изменением параметров управляющего устройства в зависимости от данных о внешнем возмущении, данных о изменении динамических характеристик объекта управления в процессе управления.
Рис. 15. Структурная схема самонастраивающейся системы управления
ДО – датчик отклонений
Датчик отклонений (ДО) вырабатывает сигнал, позволяющий определить изменение параметров соответствующего звена или внешнего возмущения и в соответствии с этим оптимизировать управляющее воздействие.
Экстремальные системы применяются для автоматического поиска экстремума управляемого параметра, и, в зависимости от изменения его положения, автоматически меняющие алгоритм действий.
Приспосабливающиеся системы в большинстве случаев являются оптимальными системами, т.к. в процессе работы находятся в автоматическом поиске оптимальных параметров. Существуют пассивные и активные методы адаптации систем.
При пассивном методе адаптации взаимосвязанность звеньев системы и ее настроек с меняющимися внешними возмущениями задается на основе аксиоматических данных и существующего опыта. В случае, если объект нестационарен и известны закономерности изменения величин его параметров, то возможно применение указанного метода.
Активный метод адаптации применяется в случае изменения параметров объекта по неустановленной закономерности, в виде изменения звеньев и их настроек в зависимости от текущих данных, поступающих в процессе управления.
В зависимости от применяемого метода адаптации самонастраивающиеся системы управления подразделяются на поисковые и беспоисковые.
Поисковые системы вносят пробное изменение в параметры управляющего устройства, контролируя при этом отклик системы на данное изменение. При улучшении управляющих параметров системы, система продолжает изменение параметров управляющего устройства в том же направлении, при ухудшении качества управления, система меняет направление изменения параметров.
Беспоисковые системы регулируют управляющие параметры на основе сравнения параметров заданной эталонной модели и фактических выходных параметров.
Самоорганизующиеся системы – системы, в которых изменяются управляющие параметры, структура системы (могут включаться дополнительные звенья) и могут изменятся параметры звеньев системы.
Самообучающиеся системы – системы, у которых могут изменяться управляющие параметры, структура и параметры самой системы, кроме того, данные системы способны улучшать качество управления на основании ранее полученного опыта, т.е. запоминать и изменять алгоритм своей работы в направлении улучшения качества.
Рис.16. Структурная схема беспоисковой системы.
УУ – управляющее устройство, ОУ – объект управления,
ЭМ – эталонная модель, АУМ – анализатор качества управления эталонной
Модели, АОК - анализатор основного контура системы,
СИУ – самонастраивающееся исполнительное устройство
По своим параметрам системы могут подразделяться на стационарные и нестационарные.
Принадлежность источника энергии, создающего управляющие воздействия, характеризует системы прямого и непрямого действия. В системах прямого действия объект управления использует свою энергию, в системах непрямого действия – энергию из другого источника.