Самонастраивающиеся системы в биологии и автоматике
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 т. п. Свойство сохранять определенные характеристики при изменении внешних условий называют гомеостазисом, а системы регуляции в организме — гомеостатическими.
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 т. д.
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 оптимального 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 систем вводятся вычислительные устройства, способные «запоминать» данные, выполнять логические операции. Получается так, что система получает возможность принимать «логические» решения, приспосабливаться к изменяющейся внешней обстановке.