Экстремальные регуляторы

 (статья из журнала Наука и Техника, от апреля 1964 г.)

Как известно, автоматизировать можно не только управление машинами и другими сложными техническими устройствами — автоматизировать можно и инженерные расчеты при проектировании машин, заводов и самих средств автоматизации. Сказанное относится и к экономическим расчетам в планировании и учете.

Кибернетика, как известно, занимается общими вопросами автоматизации. Она исследует не только системы управления в технике, но и общие для технических устройств и живых организмов принципы преобразования информации и управления. Одна из отраслей этой науки так и называется — техническая кибернетика, и решает она теоретические вопросы, Обязанные с созданием машин, выполняющих сложные операции по автоматическому управлению.

Но прежде чем перейти к кибернетическому регулированию, остановимся на системах автоматического управления, которые либо noddepoicu-вают постоянными определенные параметры регулируемого объекта (характерные величины объекта), либо могут менять эти параметры по заранее заданной программе или в зависимости от изменения других величин. Системы первого рода называются системами стабилизации, второго рода — системами с программным регулятором, третьего рода — следящими системами. Рассмотрим упомянутые системы подробнее.

Задачей автоматического регулятора системы регулирования является, например, поддержание постоянной температуры в электропечи в течение всего времени обработки материала. Регулируемый объект в этой системе — электропечь, регулируемая величина — температура печи. Для измерения температуры в печи устанавливается термопара, которая вырабатывает термоэлектродвижущую силу (напряжение), пропорциональную температуре-. Для того, чтобы автоматический регулятор в течение всего времени обработки поддерживал постоянной необходимую температуру, например 1000° С, на него подают соответствующее эталонное напряжение. Последнее сравнивается с напряжением термопары, которое пропорционально температуре печи. Если напряжение термопары больше эталонного, регулятор уменьшает ток, проходящий через электропечь. Если напряжение термопары меньше эталонного, регулятор увеличивает ток (и вместе с тем температуру в печи). Разность между напряжением термопары и эталонным напряжением называется ошибкой автоматического регулирования. Как только обнаруживаетС1я эта ошибка, сейчас же возникает сигнал. В результате сигнала регулятор стремится ликвидировать ошибку. Ввиду того, что упомянутая система поддерживает постоянным значение регулируемой величины (в нашем случае — температуру), она называется системой стабилизации.

Теперь остановимся на системе автоматического регулирования, меняющей регулируемую величину по заранее известной программе. Вернемся к рассмотренной системе, но перед автоматическим регулятором поставим другую задачу: применим его в соответствии с требованиями технологии по термообработке для осуществления постепенного нагрева материала до температуры, определенной заранее. Например, за первый час после включения электропечи материал должен быть нагрет до 200° С, за второй час — до 500° С, а к концу третьего часа — до 800° С. В дальнейшем эта температура долота поддерживаться постоянной. Данную задачу можно решить, если при помощи часового механизма изменять эталонное напряжение в соответствии с программой. В остальном эта система ничем не отличается от системы стабилизации. Так как в рассматриваемой системе регулятор меняет регулируемую, величину по заранее заданной программе, то она называется системой автоматического регулирования с программным регулятором.

Сейчас рассмотрим систему третьего рода. И здесь в виде регулируемого объекта возьмем электропечь, в которую материал для термообработки подается ленточным транспортером. Иногда в такой печи нужно поддерживать температуру в зависимости от количества поданного материала. Так как не всегда mooicho заранее предусмотреть, какое количество материала подаст транспортер,, то программный регулятор здесь неприменим. Поэтому необходимо устройство, которое определяет количество материала в печи

и в соответствии с этим изменяет эталонное напряжение. В этом случае автоматический регулятор стабилизирует температуру в соответствии с эталонным напряжением. Такие системы называются следящими; регулируемая величина — температура печи — меняется вслед за количеством поданного материала. При изменении эталонного напряжения меняется также и температура печи. Изменения же эталонного напряжения заранее определить нельзя, так как они непосредственно зависят от количества материала.

Из рассмотренных примеров видно, что действие следящей системы, а также программного регулятора основано на системе стабилизации.

Однако упомянутые системы автоматического регулирования не могут решить все задачи, которые современная техника ставит перед автоматизацией. Так, например, если на заводе установлены разнотипные регуляторы, то в этом случае необходимо участие человека: он должен согласовать работу отдельных автоматов так, чтобы завод давал возможно большее количество продукции определенного качества.

Не может ли эту задачу решить автомат? Моокет! Техническая кибернетика, используя логические элементы, дает возможность создавать автоматические регуляторы нового типа, так называемые экстремальные регуляторы.

Системами экстремального регулирования называются такие системы, которые сами ведут поиск наивыгоднейшего режима работы для регулируемого объекта. Следовательно, такие системы должны решить дополнительную задачу: в конкретной обстановке автоматически найти наивыгоднейшее значение регулируемой величины.

Если в ранее упомянутых примерах регулятор температуры печи устанавливался так, что он либо стабилизировал желаемую температуру, либо изменял ее по определенной программе, то в случае экстремального регулирования /с этой системе надо добавить еще устройство автоматического поиска экстремума.

Автоматический регулятор с таким устройством поиска называется экстремальным регулятором.; Например, если регулируемым объектом является двигатель, то регулируемой величиной может быть его коэффициент полезного действия или расход горючего. Устройство автоматического поиска долото найти скорость, при которой двигатель будет иметь максимальный коэффициент полезного действия или минимальный расход горючего.

Конечно, значение этого максимального коэффициента полезного действия (и соответствующая ему скорость двигателя) может меняться в зависимости от внешних условий, в которых

работает двигатель. При неизменной нагрузке значение коэффициента (и соответственно скорость вращения двигателя) будет вполне определенным. С изменением нагрузки изменяются также величина максимального коэффициента полезного действия и скорость вращения. В таком случае экстремальный регулятор должен найти скорость двигателя независимо от того, под влиянием каких внешних воздействий в процессе работы изменилось значение коэффициента полезного действия.

Имеется несколько типов экстремальных регуляторов. Рассмотрим простейший — экстремальный регулятор шагового типа. Будем считать, что регулируемым объектом является двигатель внутреннего сгорания. Следовательно, задача экстремального регулятора — обеспечить наивыгоднейший режим работы двигателя, который характеризуется максимальным коэффициентом полезного действия. Если допустим, что в данный момент коэффициент полезного действия двигателя не является максимальным, то для достижения максимального к. п. д. регулятор доля/сен изменить скорость двигателя, что выражается вполне определенной величиной — шагом.

Если регулятор действует в правильном направлении, то значение к. п. д. с каждым шагом увеличится, пока не достигнет своего максимума. Выходя же за пределы максимального значения, коэффициент уменьшится. Поэтому следующий шаг регулятор выполнит уже в обратном направлении, то есть вернется назад к максимальному значению коэффициента полезного действия. По достижении максимального значения к. п. д. двигателя экстремальный регулятор не прекращает поиск экстремума, а попеременно то уменьшает, то увеличивает скорость двигателя, непрерывно проверяя, работает ли двигатель с максимальным коэффициентом полезного действия.

Пру зависимости экстремума от нескольких величин процесс его поиска осложняется. В решении такой задачи используются методы Гаусса-Зейделя, градиента и случайного поиска (см. «Наука и техника» № 9 за 1963 год — Л. Растригин «Случайный поиск»).

В последнее время экстремальные регуляторы все чаще используются для автоматического управления промышленными процессами, энергетическими устройствами и системами. Например, для гидроэлектростанции, которая работает с переменным уровнем воды и

изменяющейся нагрузкой (коэффициент полезного действия станции здесь зависит от числа включенных агрегатов, а также от распределения нагрузки между агрегатами), наивыгоднейший режим работы моя/сет обеспечить устройство экстремального типа — автоматический оператор.

Экстремальные регуляторы применяются также в авиации — для поддержания наивыгоднейшей скорости полета и потребления наименьшего количества горючего. Если самолет не имеет экстремального регулятора, то экипаж определяет скорость на трассе по предварительным расчетам, в которых учитываются высота полета, сила и направление ветра и полетный вес. Составление точного графика полета является очень трудоемким процессом. При этом не следует забывать, что уже в воздухе условия полета могут резко измениться. Этот вопрос можно решить только путем применения экстремальной системы регулирования, которая в любой момент находит скорость вращения двигателя, дающую наибольший коэффициент дальности полета, то есть наибольшее значение отношения скорости полета к расходу горючего в единицу времени.

Благодаря быстрому развитию науки и техники с каждым годом увеличиваются возможности применения экстремальных регуляторов в различных отраслях народного хозяйства.

В. ГРИВА, научный сотрудник Института электроники и вычислительной техники АН Латвийской ССР