9. Schémy riadenia
Dostatočne všeobecná teória riadenia (2011) · перевод (Slovenský) · раздел 12 из 29
Перевод исходного произведения; точность перевода оценивается отдельно.
9. Schémy riadenia
Všetky uzavreté systémy sa pri ľubovoľných spôsoboch riadenia (aj pri organizácii samoriadenia) tvoria na osnove jednej z nasledujúcich schém riadenia[54] a (alebo) ich kombinácii v rámci objemnejšieho uzavretého systému. Rôzne schémy (nie spôsoby) riadenia zabezpečujú pre jedne a tie isté objekty, za jedných a tých istých podmienok, rôznu pružnosť reagovania na rušivé vplyvy a rôznu maximálne dosiahnuteľnú úroveň kvality riadenia. Súc realizované na jedných a tých istých objektoch, zabezpečujú im rôzne rezervy udržateľnosti riadenia. Schémy riadenia sa líšia jedna od druhej prerozdelením do jednotlivých komponentov uzavretého systému plnej funkcie riadenia.
Štruktúra, realizujúca schému riadenia, môže byť úplne rozmiestnená v objekte, alebo z rozličných príčin môžu byť niektoré elementy rozmiestnené mimo riadeného objektu. Čiastkovým prípadom takéhoto variantu je diaľkové ovládanie, keď sú na objekte rozmiestnené prevažne výkonné elementy štruktúry, ktoré nie je škoda stratiť, alebo ktoré vedome nemožno zachrániť. Posledný prípad sa často vyskytuje vo vzťahu k rozkazom politikov, vyjadrujúcich skutočnú moc a taktiež pri používaní robotov v nebezpečnom prostredí (aj keď v davo-„elitárnej“ spoločnosti politici zriedka nie sú robotmi – biorobotmi).
PROGRAMOVÉ RIADENIE
Vonkajšie spätné väzby po zapojení schémy do procesu riadenia v uzavretom systéme chýbajú: priebežná informácia o stave vonkajšieho prostredia a pozícii objektu v ňom sa v systéme riadenia nevyužíva.
Riadiaci signál je funkciou času a (možno) informácie, postupujúcej kanálmi vnútorných spätných väzieb. Výsledok pôsobenia všetkých rušivých vplyvov na správanie sa objektu sa vypracováva v štádiu projektovania a vytvorenia objektu a (alebo) systému jeho riadenia a programu riadenia. Úroveň maximálne možnej kvality riadenia je funkciou adekvátnosti programu riadenia k reálnym podmienkam jeho realizácie. Uzavretý systém totiž nereaguje na reálne vplyvy vonkajšieho prostredia. Správanie sa systému nie je pružné.
PROGRAMOVO - ADAPTÍVNE RIADENIE
Vonkajšie spätné väzby v systéme existujú. Riadiaci signál je funkciou reálnych parametrov vonkajšieho prostredia a uzavretého systému. Informácia o nich postupuje kanálmi vonkajších a vnútorných spätných väzieb. Zároveň je riadiaci signál aj jednoznačnou funkciou programu (zákona - algoritmiky riadenia) v tom zmysle, že rovnakej informácii, postupujúcej kanálmi spätných väzieb, vždy zodpovedá jeden a ten istý riadiaci signál. Túto zhodu reakcií „vstup - výstup“ možno chápať aj v zmysle zhody štatistických charakteristík riadiaceho signálu informácie, postupujúcej kanálmi spätných väzieb. Reakcia systému na impulz je do istej úrovne pružná v tom zmysle, že riadiaci signál a reakcia uzavretého systému na impulzy je funkciou týchto impulzov.
Programovo adaptívna schéma môže realizovať rôzne princípy riadenia. Uvedieme dva najčastejšie sa vyskytujúce: riadenie podľa impulzu a riadenie podľa odchýlky.
V prvom prípade systém riadenia vypracováva riadiaci signál na základe merania bezprostredného rušivého pôsobenia v procese riadenia.
V druhom prípade systém riadenia vypracováva riadiaci signál na základe merania kontrolných parametrov a hodnotenia ich odchýlky od hodnôt, charakterizujúcich ideálny režim riadenia. Pri nevyhnutnosti sa môžu oba princípy skombinovať v jednom a tom istom systéme riadenia.
Predpokladajme, že projektujeme systém automatického riadenia teplotného režimu v miestnosti. Môžeme ho zostrojiť tak, že ohrievače sa budú zapínať v dôsledku systémom registrovaného poklesu teploty v miestnosti pod zadanú hodnotu. Toto bude realizácia princípu riadenia podľa odchýlky. No môžme zostrojiť systém takýchto charakteristík aj inak. Pretože teplota v miestnosti zvyčajne klesá potom, čo sa zníži priemerná teplota vonkajšieho vzduchu, ochladnú steny miestnosti a prenikne do nej chladný vonkajší vzduch, tak máme možnosť registrovať teplotu vonkajšieho vzduchu a vypočítať priemernú teplotu. Následne, nečakajúc na moment, keď steny vychladnú a začne sa znižovanie teploty v miestnosti, môžeme vydať signál na zapnutie ohrievačov vo zvolenom režime okamžite v prípade zníženia priemernej teploty na definovanú prahovú (hraničnú) hodnotu. Okrem toho môže byť režim fungovania ohrievača funkciou rozdielu priemernej vonkajšej teploty a priebežnej hodnoty teploty v miestnosti. V poslednom variante sa v programovo-adaptívnej schéme riadenia budú spájať oba princípy riadenia - podľa impulzu i podľa odchýlky.
Ak nie je možnosť merať kontrolný parameter bezprostredne (priamo) v procese riadenia (t.j., vo vzťahu k nemu sú prerušené vonkajšie a vnútorné spätné väzby), tak v takom prípade, namiesto bezprostredne nemerateľnej hodnoty kontrolného parametra, môže byť využité jeho nepriame vyhodnotenie na princípe jeho sprievodných, integrálnych a iným spôsobom s ním informačne zviazaných parametrov, ktoré je možné zmerať priamo. Avšak v tomto prípade má programovo-adaptívne riadenie vlastnosť, v priebehu času neobmedzene kumulovať chybu rozladenia (odchýlku) s kontrolným parametrom. Príčinou neohraničeného nárastu chyby riadenia podľa kontrolného parametra je nahromadenie chýb merania a premeny nameraných veličín v procese nepriameho hodnotenia nevyhnutnej charakteristiky.
Príkladov takýchto chýb je plno v kronike námorných katastrof, keď navigátori, nevidiac breh v priebehu mnohých týždňov, za zlého počasia nevidiac slnko a hviezdy, boli prinútení určovať polohu lode na základe výpočtov. T.j. s chybami v meraní rýchlosti pohybu, s chybami v ohodnotení vplyvu vetra a prúdov, s nepresnosťou chodu lodných chronometrov (hodín) a s chybným ukazovaním kompasov strácali presné koordináty (miesto vlastnej polohy) a hynuli na skalách, ktoré podľa ich výpočtov sa mali nachádzať mnoho míľ od nich. Rovnaký je aj mechanizmus nahromadenia (kumulácie) chýb inerciálnymi navigačnými systémami, používanými v raketovo-kozmickej technike, v ponorkách a v zbraňových systémoch, v ktorých sa priebežné koordináty objektu určujú na základe východzích koordinátov, merania zrýchlení a ich dvojnásobnej integrácie[55].
Kvalita riadenia je pri použití programovej schémy nižšia v porovnaní s programovo-adaptívnou pri rovnakej algoritmike modelovania správania sa objektu, vloženej do osnovy formovania riadiaceho signálu. No aj možná kvalita riadenia pri programovo-adaptívnej schéme sa môže ukázať nižšou ako minimálne nevyhnutná úroveň vo vzniknutých podmienkach.
Pripusťme, že v nejakom časovom momente je vektor chyby rovný nule. Avšak v nejakom časovom momente (hoci aj v tom samom) sa bude uzavretý systém podriaďovať nenulovému rušivému vplyvu. Ak by sústava uzavretého systému mala ideálny systém riadenia, tak by systém formoval riadiaci signál tak, že riadiace pôsobenie by v každom momente času presne kompenzovalo (vyvažovalo) rušivý vplyv. Dôsledkom toho, by si vektor chyby riadenia zachovával svoje nulové hodnoty neohraničene dlhú dobu.
No vo väčšine prípadov rušivý vplyv nepodlieha priamemu meraniu. A aj keď čo-to zmerať môžeme, tak existuje prah citlivosti prostriedkov merania hodnôt všetkých faktorov. Na základe informácií o nich sa formuje riadiaci signál. Informácia sa pri predávaní skresľuje do istej miery už aj v samotnom systéme. Systém riadenia potrebuje istý čas na formovanie a prenos riadiaceho signálu. Prostriedky riadenia tiež majú ohraničený reakčný čas. Samotný objekt riadenia disponuje charakteristikami zotrvačnosti a potrebuje istý nevyhnutný čas na reakciu voči rušivému vplyvu. Dôsledkom toho rušivé pôsobenie objektu je tiež schopné nabrať zotrvačnosť a je potrebné silnejšie riadiace pôsobenie na navrátenie objektu do pôvodného režimu. Ale objekt potrebuje čas aj pre reakciu na riadiacu činnosť.
Z týchto dôvodov sa riadiaca činnosť, zodpovedajúca v nejakej miere ju vyvolávajúcemu rušivému vplyvu, v programovo-adaptívnej schéme riadenia nevyhnutne oneskoruje. Aj keď je sila (výkon) prostriedkov riadenia dostatočná na to, aby plne kompenzovala rušivý vplyv, nemôže byť plne využitá dôsledkom toho, že vždy je tu prítomný fázový posun (oneskorenie) medzi rušivým vplyvom a riadiacim vplyvom ho kompenzujúcim. Z tejto príčiny sa objekt vždy nachádza pod rušivým vplyvom faktorov, reálne registrovaných (zohľadňovaných) systémom riadenia. Nehovoriac už o vplyve nezohľadňovaných faktorov: nerozpoznaných, vyhodnotených ako nepodstatných, nachádzajúcich sa pod prahom vnímania meracích zariadení atď. Úmerne tomu je uzavretý systém kmitavým systémom, pretvárajúcim (transformujúcim) rušivé vplyvy spolu s riadiacou činnosťou do vektoru chyby riadenia, ktorého zmeny v udržateľnom procese riadenia majú tiež kmitavý charakter.
Potreba zmenšovania vektora chyby riadenia nás privádza k schéme „prediktor-korektor“ = prednaznačovateľ-opravár, „prorok-opravár“. Zmysel slova „prednaznačovateľ“ je objemnejší, ako zmysel slova „prorok“. No v západnej a v našej vedeckej tradícii je už prijatý termín „prediktor-korektor“. Nie však vo všeobecnom riadiacom zmysle, ale v ohraničenom: v technike a numerickej matematike[56]. Preto, vysvetliac si po slovensky osobitosti nášho chápania „prednaznačovateľ–opravár“, a nie „prorok-opravár“, zachováme už na Západe vžitý termín „prediktor-korektor“, ale rozšíriac oblasť jeho použitia, zavedením do kontextu dostatočne všeobecnej teórie riadenia.
RIADENIE PODĽA SCHÉMY PREDIKTOR - KOREKTOR
Je zostrojené na osnove prognózovania správania sa uzavretého systému v samotnom procese riadenia, vychádzajúc z informácie o aktuálnom a predchádzajúcich stavoch uzavretého systému a vplyve vonkajšieho prostredia naň.
V tom je principiálna odlišnosť schémy riadenia prediktor-korektor od programovej a programovo-adaptívnej schémy riadenia, v ktorých je riešenie úlohy prognostiky úplne vytesnené za hranice fungovania schémy v procese riadenia.
Štruktúrno-algoritmický systém riadenia, realizujúci schému prediktor-korektor, si možno hypoteticky (podmienečne) predstaviť ako spojenie - kombináciu:
prediktora, vypĺňajúceho funkciu prognózy a vypracovania pravidiel riadenia (programu riadenia) - tomu zodpovedá 1. až 4. etapa plnej funkcie riadenia,
a programovo-adaptívneho modulu, ktorý riadi objekt na osnove pravidiel riadenia vypracovaných prediktorom, adaptujúc ich na konkrétne okolnosti, v ktorých plynie proces riadenia - tomu zodpovedajú 5. až 7. etapa plnej funkcie riadenia.
Pritom sa prognostická informácia vo forme pravidiel riadenia dáva (aplikuje) do vstupu programovo-adaptívneho modulu systému riadenia.
Dôsledkom toho, systém riadenia reaguje nielen na už uskutočnené odchýlky uzavretého systému od ideálneho režimu, no i na tie, ktoré iba majú tendenciu sa udiať (v prípade, že je prognózovanie dostatočne presné). Ak programovo-adaptívne riadenie uzamyká (zahŕňa v sebe) priame a spätné väzby cez už zrealizovanú minulosť, tak sa v schéme prediktor-korektor nejaká časť priamych a spätných väzieb uzamyká cez prognózovanú budúcnosť. Informácia o uskutočnenej minulosti a o budúcnosti sa v schéme prediktor–korektor, okrem prognózovania a vypracovania riadiaceho signálu, tiež využíva ako osnova na minimalizáciu (periodického nulovania) v procese riadenia vznikajúceho vektora chyby, podmieneného priebežnou kumuláciou (hromadením) prognostických chýb.
Pri porovnaní programovo-adaptívnej schémy a schémy prediktor-korektor na základe vektora stavu, využívaného programovo-adaptívnou schémou, budú jednému a tomu istému vektoru stavu, v schéme prediktor–korektor zodpovedať rôzne riadiace signály. Dôvodom je, že v osnove prognózy prediktora-korektora stojí vektor stavu väčšieho rozmeru, ako v programovo-adaptívnej schéme. Na základe informácie, vychádzajúcej nad rámec identickej časti vektorov stavu, používaných v oboch schémach, bude prediktor-korektor získavať rôzne prognózy. To bude následne vyjadrené v rozličnosti riadiacich signálov, vypracovávaných v programovo-adaptívnych moduloch oboch schém riadenia. T.j., prediktor- korektor je „rozumnejší“ a zabezpečuje pružnejšie, nešablónovité riadenie v porovnaní s predchádzajúcimi schémami.
Za predpokladu dostatočne vysokej presnosti prognózy zabezpečuje schéma prediktor-korektor najvyššiu kvalitu riadenia z toho dôvodu, že v množstve prípadov zredukuje na nulu (pri nevyhnutnosti aj do záporných hodnôt: je to predvídavé, odb. tzv. predikčné riadenie) fázový posun medzi rušivým vplyvom a riadiacou činnosťou, zabezpečujúcou kompenzáciu rušivých vplyvov. To umožňuje používať zdroje uzavretého systému na zvyšovanie rezervy udržateľnosti riadenia a produktivity uzavretého systému vo vzťahu k vektoru cieľov riadenia. Pri iných schémach riadenia tieto rezervy nemôžu byť využívané, alebo sa minú na kompenzáciu tej zložky odchýlky od ideálneho režimu, ktorá je podmienená fázovým posunom riadiacej činnosti vo vzťahu k rušivému vplyvu (v porovnaní s teoretickým prípadom neprítomnosti fázového posunu medzi rušením a riadiacou činnosťou).