Sterowanie ze zmianą trybów

Przełączanie trybów sterowania jako jednego ze sposobów sterowania przez człowieka wynika ze spostrzeżenia, że w wielu sytuacjach możliwe jest wyróż-nienie kilku trybów sterowania, ogólnie w zależności od stanu, a w szczególno-ści – zależnie od wartoszczególno-ści uchybu. Przełączenie trybu sterowania następuje w efekcie oceny stanu procesu sterowanego.

Poza alternatywą „sterować czy nie sterować” istnieje także możliwość, że podczas realizacji procesu sterowania następuje zmiana sposobu działania, pole-gająca na wyłączaniu regulatorów warstw zewnętrznych w strukturze jak na rys.

3.3 lub 3.5. Podczas sterowania ruchem samolotu będzie to realizacja przez człowieka sterowania na poziomach od stabilizacji orientacji samolotu do pełne-go sterownia ruchem na zadanej trajektorii.

W szczególnym przypadku wyróżnione będą dwa tryby sterowania (uogól-nienie na wiele trybów jest oczywiste), a czynnikiem decydującym o zmianie trybu jest pewna wielkość ξ, której zależność od uchybu i wartości zadanej okre-śla wzór:

( )

ξ

(

^, d

)( )

ξ t =F ε y t (3.25)

w którym ogólnie Fξ jest operatorem o właściwościach:

( )( )

zaprezentowanymi modelami jest odpowiednie, to duże wartości parametru ξ wynikają z dużych wartości uchybu, co oznacza, że regulator będzie dawał od-powiednio duże wartości sygnału na wyjściu. Dla modeli nieliniowych nie zaw-sze jest możliwe (a często jest niebezpieczne) wprowadzenie zbyt dużych warto-ści sterujących.

Jeśli sygnał sterujący jest fizycznie ograniczony, to dla dużych uchybów przekracza on wartość ograniczenia i następuje utrata sterowności. Tego zjawi-ska można unikać przez zmniejszenie wzmocnienia regulatora, co ma jednak wpływ na charakterystyki czasowe. Jeśli jednak w efekcie sterowania ze stałą

wartością sygnału sterującego proces zmiany stanu dąży do otoczenia stanu po-żądanego, to taki sposób sterowania może być akceptowalny. W otoczeniu stanu pożądanego następuje ponowne przełączenie na działanie regulatora i zmniej-szenie wartości sygnału sterującego.

Dla procesów dynamicznych, spełniających warunek (3.19) przynajmniej dla jednej pary zmiennych, może występować ograniczenie wartości pochodnej.

Ograniczenie to nie ma charakteru ograniczeń sztywnych jak dla sygnału steru-jącego, lecz wynika z zależności zmiennych w modelu. Dobrym przykładem jest zależność prędkości kątowej zmiany kursu od kąta przechylenia, która dla ma-łych przechyleń jest z dużą dokładnością liniowa. Wynika to z właściwości funkcji tangens w zależności (3.8). Ze wzrostem wartości przechylenia na pod-stawie pełnego modelu samolotu łatwo stwierdzić, że zależność nie tylko staje się nieliniowa, ale także błąd tak uproszczonego modelu czyni go nieużytecz-nym.

Z przeprowadzonej analizy wynika, że dla dużych odchyleń kursu nie- celowe jest sterowanie ze względu na wartość zmiennej docelowej (tryb y) – sensowniejsze jest sterowanie ze względu na wartość pochodnej tej zmiennej (tryb yɺ). Wynika stąd wprost struktura sterownika ze zmianą trybów, jak to zostało przedstawione na rys. 3.11. Element decyzyjny D określa zarówno spo-sób sterowania, jak i wartość zadanej prędkości. Sygnał s obrazuje proces prze-łączania źródła sygnału sterującego i przeprze-łączania regulatorów.

Rys. 3.11. Struktura układu sterowania ze zmianą trybów

Zaprezentowana struktura obrazuje raczej funkcje (regulatory Rx i Rxp) niż rzeczywiste ośrodki mózgowe realizujące zadania regulatorów, chociaż kilka opublikowanych wyników badań potwierdza możliwość lokalizacji w mózgu człowieka ośrodków odpowiedzialnych za sterowanie zgodnie z tym schematem [28, 120].

Na rysunku 3.11, poza funkcjami sterownika, zaznaczono element II. Obra-zuje on fakt, że informacje wykorzystywane przez człowieka są odbierane z interfejsów informacyjnych. Odbiór może być bezpośredni – jako odczyt wskazania odpowiedniej wartości, bądź też pośredni – jako wielkość łatwa do

interpretacji i zależna od wartości wykorzystywanej w procesie sterowania (mi-nimalne założenie to monotoniczność zależności wielkości sterowanej od wiel-kości dostępnej).

Istotnym zagadnieniem jest określenie warunków przełączania pomiędzy trybami. O ile w zadaniach sterowania procesami wolno zmiennymi zmiana trybu może wynikać z analizy stanu tego procesu (czyli można oczekiwać nawet skomplikowanych postaci operatora Fξ), to dla procesów o większej szybkości przełączanie będzie raczej bezpośrednią reakcją na odbierane informacje. Oczy-wiście szybkość procesu należy określać w odniesieniu do osiągów człowieka operatora.

Rozróżnienie względnej szybkości procesu jest istotne dla kształtowania elementów, z którymi człowiek współpracuje, w zakresie możliwości wpływania na działanie człowieka. Przy dużych szybkościach działania należy się spodzie-wać, że modyfikacja przekazu informacji może bezpośrednio wpływać na decy-zje o przełączaniu. W procesach o długim czasie trwania trzeba uwzględnić możliwości analityczne, czyli zdolność przewidywania i wnioskowania o skut-kach oraz możliwość detekcji zniekształcenia przebiegów wartości zmiennych i kompensacji tego zniekształcenia.

W zadaniach sterowania procesami wolno zmiennymi możliwe jest okre-ślenie procedur sterowania. Jako przykład można podać:

• proces zmiany wysokości lotu – w fazie początkowej w trybie stabilizacji prędkości pionowej, a w fazie końcowej jako przejście do stabilizacji za-łożonej wysokości,

• proces zmiany trajektorii lotu – w fazie początkowej przez lot z kursem zbieżnym do docelowej linii drogi (typową procedurą stosowaną w lot-nictwie jest utrzymywanie kursu 30º do linii drogi), naprowadzenie na li-nię drogi i stabilizację lotu.

Tryby sterowania dla procesów szybko zmiennych zależą od decyzji czło-wieka podejmowanej w danej sytuacji. Decyzja ta dotyczy kilku parametrów:

• granicy stanów przełączenia z trybu y do trybuyɺ,

• granicy stanów przełączenia z trybu yɺ do trybu y,

• wartości prędkości zmiany stanu w trybieyɺ.

Warto przeanalizować szczególną postać przełączanych regulatorów przed- stawionych na rys. 3.11. Przy założeniu, że ^{ξ t = ε t}

( ) ( )

^, wartości decyzyjne dla sygnału uchybu ε będą następujące:

εdp – graniczna wartość, poniżej której stosowany jest tryby,ɺ εgp – graniczna wartość, powyżej której stosowany jest tryby,ɺ εdx – graniczna wartość, powyżej której stosowany jest tryb y, εgx – graniczna wartość, poniżej której stosowany jest tryb y.

Porównanie wartości granicznych wymaga przyjęcia pewnych założeń, które powinny odzwierciedlać sposób działania człowieka. Sensownym

postula-tem jest założenie, że po podjęciu decyzji o sposobie sterowania nie następowała zmiana tej decyzji przy niewielkich zmianach stanu. Stąd wartości graniczne powinny odzwierciedlać efekt histerezy. Prowadzi to do zależności:

dp< dx< gx< gp

ε ε ε ε (3.27)

Wykonany eksperyment symulacyjny obrazuje różnice pomiędzy sterowa-niem z przełączasterowa-niem trybów a sterowasterowa-niem z regulatorem. Regulator został wykonany jako model liniowy według zależności (3.23), a parametry dobrano z zakresów podawanych w literaturze jako odpowiadające właściwościom czło-wieka. Obiekt sterowany jest elementem inercyjnym z całkowaniem:

( ) ( )

^{K 1}

G s =

s Ts + (3.28)

Przy identycznych parametrach regulatora charakter zmian sygnałów w procesie sterowania jest różny. Na rysunku 3.12 zaprezentowano charaktery-styki czasowe regulacji. W efekcie przełączania nastąpiło przyspieszenie reakcji w początkowej fazie procesu sterowania, natomiast w fazie końcowej – zmniej-szenie szybkości, z jaką zmienia się sygnał wyjściowy.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

5 y_z

y1 y2

Rys. 3.12. Wartości sygnałów w procesie sterowania; yz – wartość zadana, y1 – przy sterowaniu ze zmianą trybów, y2 – przy sterowa-niu przez regulator

Rysunek 3.13 przedstawia unormowane histogramy sygnałów sterujących po usunięciu składnika centralnego, odpowiadającego sterowaniu w stanie usta-lonym. Przełączanie trybów spowodowało wykorzystanie większych wartości sterowań, a równocześnie rzadziej były stosowane wartości mniejsze.

Rys. 3.13. Histogramy sygnału sterującego; u1 – przy sterowaniu ze zmianą trybów, u2 – przy sterowaniu przez regulator

W trybie sterowania yɺ dla obiektu astatycznego (np. zależność (3.28)) moż-liwe jest uproszczenie, polegające na ustaleniu wartości sygnału sterującego bez kontroli sygnału y .ɺ_p Doświadczenie człowieka prowadzi do powstania modelu działania, uproszczonego do następujących parametrów:

• wartości zadanej sygnału (lub sygnałów sterujących),

• czasu realizacji tej fazy sterowania – T_yɺ, wynikającego z przewidywania czasu, kiedy konieczna jest zmiana sposobu działania.

Brak konieczności kontroli stanu zwalnia zasoby do realizacji innych zadań.

W dokumencie © Copyright by Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej (Stron 48-52)