Самонастраивающиеся системы в биологии и автоматике

Что такое бионика

Во введении к книге мы говорили о свойстве живых организмов сохранять определенное состояние при значительном изменении внешних условий. Речь шла о регулировании температуры тела, давления крови и тому подобного. Свойство сохранять определенные характеристики при изменении внешних условий называют гомеостазисом, а системы регуляции в организме - гомеопатическими.

Гомеостатические системы при большом разнообразии внешних возмущений способны поддерживать неизменное значение регулируемой величины. При приспособлении к изменяющимся условиям происходят местные изменения, не нарушающие целостности всей системы. В подавляющем большинстве своем в организме имеется настоящий ансамбль взаимосвязанных систем: так много величин они одновременно поддерживают в определенных пределах.

От гомеостатических систем в живом организме наука сейчас делает шаг к самонастраивающимся системам управления в технике. Прежде чем их рассматривать подробно, еще раз вернемся к более простым системам автоматического управления.

Весьма распространены в технике системы автоматического управления с обратной связью. Как это уже отмечалось выше, на выходе объекта автоматического управления происходит вычитание из выходной регулируемой величины заданного ее значения. По величине отклонения регулятор вырабатывает управляющий сигнал, сводящий отклонение к нулю.

Однако для управления более сложными и менее изученными объектами требовались системы, способные не только устранять известное отклонение регулируемой величины от заданной, но и решать более сложные задачи, автоматически отыскивать такие изменения самой системы, чтобы достичь необходимого результата.

Самонастройка в принципе означает способность системы решать задачу регулирования при различных возмущающих воздействиях, часто даже не предвиденных конструктором. Достигается она с помощью устройств, могущих непрерывно следить за характеристиками системы и так воздействовать на ее параметры, чтобы приближать характеристики к оптимальным (наивыгодным, наилучшим).

Рассмотрим для начала наиболее простые из самонастраивающихся систем - системы экстремального управления. В них требуется найти и поддерживать такое значение регулируемой величины, при котором достигается наименьшее или наибольшее из возможных значений (оно и называется экстремальным) определенной характеристики режима. К экстремальному значению можно отнести минимум расхода энергии, топлива, максимум коэффициента полезного действия и так далее.

Для того чтобы лучше представить себе принцип работы самонастраивающейся системы, сошлемся на пример регулирования подачи топлива в двигатели летательного аппарата. Управляющей системе поставлена цель: обеспечить наиболее экономичный полет. Как известно, это может быть достигнуто на каждой высоте за счет установления оптимальною режима: определенной скорости, числа оборотов двигателя, удельного расхода горючего. С изменением высоты эти характеристики меняются. Самонастраивающаяся система, используя данные от контрольных приборов, должна автоматически определить оптимальные значения регулируемых параметров, которые бы обеспечили наиболее экономичный полет.

Более сложна задача поддержания наивыгоднейшего режима в тех случаях, когда некоторые или даже все условия работы установки не контролируются и наперед неизвестны не только степени, но и направления влияния этих условий на эффективность режима. В этом случае используются системы автоматического поиска.

Осуществляя поиск, управляющее устройство самонастраивающейся системы анализирует результаты проб, попыток изменить структуру системы и ее отдельных параметров. Для этого в состав системы вводятся вычислительные устройства, способные "запоминать" данные, выполнять логические операции. Получается так, что система получает возможность принимать "логические" решения, приспосабливаться к изменяющейся внешней обстановке.

Система автоматического поиска имеет своих предшественников в природе. Можно в связи с этим указать на процесс развития вида, так называемый механизм естественного отбора. В качестве "проб" здесь выступают различные формы живых организмов, образующиеся в природе, из которых выживают наиболее приспособленные. По наследству потомству передаются те черты, которые обеспечивают большую жизнеспособность. Варьируя миллиарды организмов, природа образовала высокоразвитые виды живых существ.

Аналогично осуществляется поиск в автоматическом устройстве, которое, пробуя различные варианты, изменяет характеристики и даже структуру управляющего устройства, с тем чтобы система, которую хотят усовершенствовать, приобрела наивыгоднейшие свойства.

Каковы же принципы поиска экстремальных значений в самонастраивающихся системах? Их можно искать с помощью различных перемещений регулирующего органа. Существует, например, метод использования небольших перемещений (колебаний) регулирующего органа в одну и другую сторону около среднего его положения. Применяя специальные устройства, удается проанализировать результаты и определить направление движения регулирующего органа.

На рисунке 3 показана зависимость параметра системы ψ (например, коэффициента полезного действия) от перемещения регулирующего органа x. Положение регулирующего органа меняется под воздействием возмущений синусоидальной формы с частотой w. Пусть при первом перемещении регулирующего органа он попал в точку 1 графика. При этом на выход дискриминатора (различитель фазы и частоты) поступит синусоидальное колебание с частотой w, изображенное в точке 1. Если при втором перемещении регулирующий орган попадет в точку 2, то на выходе появится сигнал малой амплитуды и удвоенной частоты. И наконец, при попадании в точку 3 появится колебание частоты w, но в противофазе с колебанием в точке 1. Дискриминатор может выделить максимум, имея приведенную в таблице 1 программу, или "логику", работы. Ее обычно именуют алгоритмом управляющего устройства.

Рисунок 3. Автоматический поиск с помощью
колебаний синусоидальной формы с частотой w.
Воздействие таких колебаний приводит
к выходным колебаниям показателя ψ,
изображенным в точках 1, 2, 3.

Чтобы реализовать такую "логику" работы схемы, нужно иметь фазочувствительный выпрямитель (дискриминатор), команды которого приводили бы в действие электродвигатель, а он в свою очередь открывал бы клапаны, перемещал заслонки или другие какие-либо регулирующие устройства.

Другой путь поисков наивыгоднейших характеристик состоит в использовании свойства запоминания. Выше рассматривались процессы накопления и сохранения информации, происходящие по аналогии с использованнием информации мозгом, его памятью. В данном случае может быть использована схема, показанная на рисунке 4. К электродам сетка-катод радиолампы через диод подводится электрическое напряжение (показатель ψ). Пусть при этом величина ψ меняется, как показано на рисунке 3, от точки 1 к точкам 2 и 3. Когда ψ достигнет максимального значения, запоминающий конденсатор C зарядится, "запомнит" это значение.

Рисунок 4. Схема управляющего устройства,
основанного на принципе запоминания
наибольшего показателя ψ.

Когда напряжение начнет уменьшаться, диод запирается. Суммирующий усилитель, сравнивающий напряжения в цепи катода лампы и инвертора, дает команду реле. Оно срабатывает и заставляет двигатель, а за ним и регулирующий орган двигаться в обратную сторону. Опять будет пройден максимум, и как только величина ψ начнет падать, снова реле заставит двигаться регулирующий орган обратно. Таким образом, в системе будут происходить колебания вокруг наибольшего значения и среднее положение регулирующего органа будет соответствовать этому значению.

С запоминанием связан и циклический поиск в системах шагового типа. В этом случае приходится запоминать исходную величину выходного сигнала ψ, изменение положения регулирующего органа Δx, новое значение выходной величины ψ+Δψ. На рисунке 5 показана зависимость показателя системы ψ от перемещения регулирующего органа x. Пусть исходное положение регулирующего органа в точке 0. Делается пробный шаг Δx. При перемещении в точку 1 показатель системы возрастает, становится ψ+Δψ. При исходном положении в точке 2 значение ψ при пробном шаге в точке 3 уменьшается. По знаку Δψ можно определить направление движения регулирующего органа. Метод такого поиска называется циклическим потому, что шаг Δx задается специальным коммутатором циклически через равные промежутки времени, а направление этого шага и величина неизменны. Алгоритм ("логику") работы управляющего устройства можно представить в виде таблицы 2.

Рисунок 5. График зависимости показателя
системы ψ от перемещения
регулирующего органа x при циклическом
поиске в системе шагового типа.

Дли реализации изложенной выше, "логики" может быть применена схема, содержащая объект регулирования, тактовый генератор и устройство управления. В свою очередь устройство управления имеет запоминающее устройство, двигатель, перемещающий управляющий орган и устройство для определения, куда дальше перемещать этот орган для поиска наивыгоднейшего значения (рисунок 6).

Рисунок 6. Принципиальная схема управляющего
устройства шагового типа.

Схема начинает работу при включении по команде тактового генератора контактов k₁ и k₂. Делается пробный шаг Δx, изменение выходной величины ψ+Δψ запоминается. Потом замыкаются ключи k₃ и k₄. На выходе будет выделена величина отклонения выходной величины от заданной. Это отклонение подается на двигатель, который перемещает заслонку или клапан так, чтобы приближаться к наивыгоднейшему положению. Когда такое положение будет пройдено, к двигателю подводится отрицательное напряжение, и он начнет вращаться в обратную сторону. Как видно из схемы, такое автоматическое устройство представляет собой не что иное, как специализированное вычислительное устройство.

Если в обычной схеме автоматического управления добавить специализированное вычислительное устройство A и дополнительное вычислительное устройство B, то можно решать, например, задачу подбора такого режима, в котором объект управления и регуляторы потребляли бы минимум топлива и электроэнергии. Такие самонастраивающиеся системы (рисунок 7) могут быть весьма ценными не только для поддержания движения, например ракеты по нужной траектории, но и перехода ее на другие траектории, если это необходимо с точки зрения экономного расходования топливных и энергетических ресурсов.

Рисунок 7. Схема самонастраивающейся системы
автоматического поиска наивыгоднейшего режима работы.

Дополнительное вычислительное устройство B суммирует данные о количестве потребляемого топлива или энергии и определяет среднее значение за определенный промежуток времени. Это значение подводится к устройству A, называемому оптимизатором, которое осуществляет автоматический поиск наивыгоднейшего (оптимального) режима, при котором расходовалось бы минимум энергии.

Экстремальные системы автоматического управления могут широко применяться в военной и военно-морской технике. Эти системы способны помочь, например, сводить к минимуму погрешности или ошибки систем наведения ракет, целеуказания, решения задачи встречи снаряда с целью, обеспечивать быстрейшее приведение в действие современного ракетно-ядерного оружия. Подобные системы могут поддерживать максимальным коэффициент полезного действия энергетических установок кораблей и силовых установок самолетов, обеспечивать режим для получения максимальной дальности полета, плавания и тому подобного.

Примером самоприспосабливающейся системы является автоматическая система для опознавания и выделения импульсных сигналов на фоне шумов (рисунок 8). В ней имеется самоприспосабливающийся фильтр, с помощью которого производится настройка системы на форму приходящего сигнала.

Рисунок 8. Блок-схема устройства
автоматического опознавания сигналов.

Схема фильтра включает запоминающее устройство, схему кратковременного накопления и сравнивающее устройство. Накопление данных о форме кривой входного сигнала при его приеме происходит в запоминающем устройстве. В специальном устройстве сравниваются данные со входа фильтра и выхода схемы кратковременного накопления. Когда на входе появляется серия сигналов одинаковой формы, она фиксируется в запоминающем устройстве. Затем из всех хаотически появляющихся на входе фильтров сигналов будут выделяться и пропускаться импульсы с формой кривой, которую "запомнил" фильтр. Сравнивающее устройство обнаруживает повторяемость формы импульса, чтобы точно воспроизвести эту форму в запоминающем устройстве.

С пропаданием избранного сигнала система приходит в равновесие до появления нового сигнала, форма которого повторяется. Происходит восстановление сигналов, накапливаемых в запоминающем устройстве.

Как же происходит сравнение формы пришедшего сигнала и того, который "помнит" фильтр? Это сравнение осуществляется в нескольких различных точках, размещенных по огибающей импульса. Число таких точек называется "числом измерений" системы.

На рисунке 9 показана блок-схема экспериментальной системы с десятью измерениями, предложенной одной из зарубежных фирм. Линия задержки, которая играет роль системы кратковременного накопления, имеет десять отводов. Запоминающее устройство содержит десять конденсаторов, зашунтированных сопротивлениями. В корреляторе соответственно предусмотрено десять умножителей.

Рисунок 9. Блок-схема экспериментальной
системы с десятью измерениями.

Напряжения с участка линии задержки и ячейки запоминания поступают в умножитель, дающий на выходе произведение этих двух напряжений. Сигналы от всех умножителей складываются и суммарный сигнал подается на детектор. Он-то и выявляет, насколько идентичны формы сигналов. Достигается это сравнением суммарного сигнала с тем, который "помнит" фильтр, так называемым опорным сигналом. Если первый равен второму или больше его, детектор отпирает арифметический блок системы обнаружения. С помощью десяти дополнительных конденсаторов "копированный" сигнал усиливается. Это означает, что в начале процесса сравнении схема выдает в сравнивающее устройство более точный фиксированный сигнал. Если на вход сигнал поступил не полностью, и есть всего одна его составляющая, все равно система начинает "приспосабливаться" к нему. Стоит сигналу пропасть, как опорный сигнал падает до нуля. При появлении нового сигнала система готова к действию. Значит она способна "расшифровывать" кодированные сигналы с периодически меняющимися кодами. Для сигналов с более сложной формой нужно большее число измерений.

Самонастраивающиеся системы широко используются за рубежом при разработке автопилотов для самолетов и ракет, а также при проектировании систем автоматического управления для ракетопланов и космических кораблей.

Известно, что летательный аппарат оказывается в самых различных условиях и его характеристики существенно меняются в зависимости от изменения веса и конфигурации, скорости, плотности атмосферы, маневров цели и типа траектории. Так, самонастраивающаяся система, используемая для автопилота, должна, исходя из условий полета, изменять свои параметры так, чтобы несмотря на эти изменения, сохранить требуемое качество работы. Возьмем, к примеру, такой показатель окружающих условий, как температура. В полете придется измерять температуру тех участков космического корабля, которые наиболее подвержены нагреванию, например при входе в плотные слои атмосферы. По результатам этих измерений система должна так корректировать траекторию, чтобы корабль не попал в области, где его ждет чрезмерный нагрев.

Чтобы лучше понять принцип самонастраивающегося регулирования на самолете, можно сослаться на действия летчика в полете. Покачивая ручку управления, он слегка возмущает полет самолета, что позволяет ему чувствовать свойства машины и достигать оптимального (наилучшего) управления, несмотря на изменение свойств самолета при наборе высоты или изменении скорости полета.

Рассмотрим один из образцов самонастраивающихся автопилотов, примененных, в частности, на американском истребителе (рисунок 10). Главная часть автопилота - мультивибратор - генератор электрических колебаний, форма которых отлична от синусоидальной. Он выполняет функции быстродействующего реле. Если самолет сохраняет заданное положение, мультивибратор, переключаясь в одно из двух устойчивых состояний, вырабатывает короткие электрические импульсы, противоположной полярности и равные по мощности. Частота их составляет от 4 до 6 герц. Эти импульсы подводится к рулевой машинке, и она, естественно, совершает колебания около нейтрального положения. Среднее положение руля остается постоянным, хотя он сам и перемещается на 0,1 градуса на частоте импульсов. Самолет также имеет установившиеся колебания, совершенно незаметные для летчика.

Рисунок 10. Схема самонастраивающегося автопилота.

С изменением положения самолета сигнал соответствующего гироскопа заставит мультивибратор задерживаться в одном устойчивом положении дольше, чем в другом. Значит, импульсы одной полярности будут действовать на рулевую машинку более продолжительный период, чем импульсы противоположной полярности. Будет соответствующим образом повернут руль, и самолет возвратится в заданное положение.

А для чего же идеальная модель? Сигнал рассогласования поступает на мультивибратор не только от гироскопа, но и от этой модели. Она представляет собой нечто вроде фильтра и имитирует поведение идеального самолета в ответ на те или иные возмущения. Значит, схема с этой моделью "следит", как возвращается в первоначальное положение реальный самолет. Если он ведет себя подобно идеальному самолету, то сигнала от модели не будет. Если есть разница, например, между угловыми скоростями реального самолета и идеальной модели, то мультивибратор получит соответствующий сигнал и заставит привод изменить среднее положение рулей.

А что делает автоматический модулятор амплитуды? Он непрерывно контролирует эффективность рулей самолета и автоматически компенсирует влияние высоты и скорости полета на их эффективность. Известно, что для разных самолетов эффективность рулей по-разному уменьшается с возрастанием скорости, высоты и уменьшением плотности воздуха. Например, этот автоматический модулятор так изменяет величину отклонения рулей (амплитуду), чтобы влияние высоты не сказывалось на их эффективности. При этом он справляется со своей задачей, даже не "зная" заранее конкретных характеристик данного самолета.

Самонастраивающийся автопилот, по мнению зарубежных специалистов, имеет много преимуществ перед обычным. Дело не только в том, что благодаря его применению удается ускорить разработку автоматического управления для новых типов самолетов и ракет и резко уменьшить летные испытания, которые требуются для согласования характеристик обычной системы управлении и нового самолета или снаряда. Но дело и в том, что самонастраивающийся автопилот более прост и надежен. Его габариты и вес на 50 процентов меньше, а надежность вдвое выше, чем у обычного.

При разработке разных видов и систем оружия за рубежом создаются и испытываются их физические быстродействующие модели. В такую модель "вводятся" неисправности, характерные для реальных объектов. Специальная система производит поиск решения, то есть перебирает с огромной скоростью возможные способы устранения вредных влияний, неисправностей для получения нужного режима. Она отбирает наиболее приемлемое решение и выдает его для применения в реальном объекте.

Новым направлением в использовании самонастраивающихся систем является создание автоматов-контролеров в авиации и ракетной технике. Они предназначаются для автоматизации процессов проверки всех видов сложнейшего оборудования самолета и ракеты, включая радиолокационную и навигационную аппаратуру, гидравлические и пневматические устройства, средства наведения. Конструкторы электронных поверочных устройств, как и при создании других автоматов, начали с анализа действий человека, производящего контроль над состоянием самолета или снаряда.

Что же делает специалист по проверке техники? Он, помня требования инструкции по эксплуатации, переводит последовательно переключатели в рабочее положение, снимает показании приборов м сверяет их с заданными. В случае расхождения данных он фиксирует неисправность и должен решить, что нужно сделать, чтобы привести технику в исправное состояние. Он проверяет все элементы и устанавливает, какое сопротивление, конденсатор или лампа является виновником ненормальной работы электрической цепи.

Выполнение тех же функций может быть возложено на автомат. За рубежом создано, например, автоматическое устройство, которое, руководствуясь программой, записанной на лепте, производит переключения в проверяемой аппаратуре и сверяет показания приборов с требуемыми по инструкции. После этого выдается сигнал решения, указывающий, находится ли испытываемый параметр в допустимых пределах. Если включаемой аппаратуре нужно продолжительное время для разогрева, автомат включит ее и возвратится к ней тогда, когда она войдет в рабочий режим.

Для поисков неисправного элемента автомат следует определенной "логике". Он производит комбинацию нескольких измерений. Для этого в автомате предусматривается элемент "памяти". Он "запоминает" одно или ряд промежуточных решений, сравнивает их, чтобы найти причину неисправности.

Созданная система проверки не рассчитана на обнаружение отдельного неисправного сопротивления или лампы. Эта система обнаруживает неисправность в пределах до мелкого блока, который легко заменить в условиях обычного аэродрома. Как только неисправность обнаружена, автомат выбирает один из имеющихся у него 500 микрофильмов и проектирует его на экран, где даются советы по ремонту аппаратуры. Одновременно автомат выбирает специальную карточку и выдает ее оператору. В фильме и карточке указываются вышедший из строя элемент, время, необходимое для устранения неисправности, приборы и инструмент, которые надо использовать, что и как делать и так далее. Таким образом, автоматическое быстродействующее устройство может на только найти неисправность, но и дать специалистам сведения, которые иначе пришлось бы искать в различных инструкциях, описаниях и схемах.

В настоящее время, по данным зарубежной прессы, разработаны электронные проверочные автоматы как для конкретных образцов оборудования, так и универсальные. Существует, например, автомат для обнаружения неисправностей в весьма сложной бомбардировочно-навигационной системе. Созданы установки для проверки правильности работы систем наведения управляемых снарядов.

О производительности универсальной системы можно судить по работе автомата, предназначенного для проверки 1200 различных электросхем на самолетах. Проверку каждой такой схемы он осуществляет менее чем за одну минуту.

Другая автоматическая проверочная установка создана для испытания радиоэлектронного оборудования бомбардировщика американских военно-морских сил. Сообщая об этой установке, журнал "Авиэйшн уик" указывает, что она за четыре часа позволяет проверить весь комплекс оборудования бомбардировщика, включая навигационные приборы бомбометания, средства связи и радиолокации, системы опознавания и управления полетом, радиолокационный высотомер, счетно-решающие устройства и источники питания. Указывается, что с помощью обычных средств такая проверка требовала при большом числе обслуживающего персонала не менее 35 часов.

Установка состоит из трех блоков, размещенных на тележках. Основной блок включает программирующее устройство, систему самопроверки установки, прекращающую ее работу при возникновении внутренней неисправности, приборы измерения различных характеристик, индикаторные и записывающие устройства. В других двух блоках содержатся генераторы, имитирующие сигналы, которые возникают в цепях радиоэлектронной аппаратуры самолета в полете.

Разработаны универсальные системы для автоматической проверки готовности управляемых снарядов к пуску. Как же работает такая система? Проверка происходит по заранее составленной программе, в соответствии с которой из программного регистра сигналы поступают в преобразователь. Оттуда в виде импульсов они подводятся к испытываемому объекту. Сигналы от генераторов возбуждения включают проверяемые цепи. Ответные сигналы попадают в преобразователь обратного сигнала и оттуда в виде импульсов в программный регистр, где сравниваются с заложенными в запоминающем устройстве значениями. Результаты сравнения подаются в индикатор и телетайп. Они и "сообщают" оператору о результатах проверки. Если получен сигнал "не годен", испытание автоматически прекращается. Начинается устранение неисправностей.

В одном из образцов проверочной аппаратуры программа испытаний записана па магнитной ленте. Ввод сигналов осуществляется скоростным устройством, воспринимающим с магнитной ленты 400 сигналов в секунду. Запоминающее устройство выполнено в виде магнитного барабана и имеет емкость 500 тысяч единиц информации. Применен указатель надежности результата проверки, который в виде двузначного числа (от 0 до 98) показывает, насколько допустимо отклонение измерения от допустимой величины. Данные проверки выдаются визуально, на перфорированной ленте или в виде таблиц. Применение автоматической системы позволяет проводить проверку за одну минуту, на что обычно требовалось несколько часов.

Быстродействующие автоматические контрольные устройства проверяют все большее количество разнообразной авиационной и ракетной техники. Создается, например, аппаратура применительно к различным видам авиационной радиосвязной и радионавигационной аппаратуры, системам управления огнем и двигателями, системам опознавания, помехозащищающим устройства и другим. Одной из наиболее сложных проблем при этом считается разработка систем, способных сравнивать сигналы, меняющиеся во времени, и учитывать допустимые отклонения, также зависящие от времени. Не менее трудно создать устройства, позволяющие без участия людей производить проверку гидравлических и пневматических систем самолетов и, более того, осуществлять проверку их двигателей в состоянии покоя.

Развитие за рубежом систем автоматического контроля в авиации и ракетной технике свидетельствует о том, что автоматизация на основе использования достижений радиоэлектроники и других областей науки и техники охватывает не только область боевого использования средств вооруженной борьбы, но и их подготовку к бою.

Однако это не означает устранения людей от участия в обслуживании и использовании боевой техники и оружия. Число людей, участвующих в обслуживании техники, безусловно, сокращается. Но человек все равно оказывается необходим как создатель машин и командир, обладающий огромными знаниями и опытом, способный наилучшим образом использовать возможности автомата. От подготовки и качеств человека будет в конечном счете зависеть успех в бою.

П.Т.Асташенков, 1965 год