Введение к работе
Актуальность темы исследования. Изучение промышленных систем оптимального управления, минимизирующих энергозатраты, показывает, что в настоящее время технологии нагрева, разгона и других динамических режимов находятся на исследовательской стадии. Одними из основных потребителей энергоресурсов на промышленных предприятиях являются машины и аппараты, оборудованные электроприводами и нагревательными установками. Значительную долю времени при функционировании эти объекты находятся в динамических режимах. Как правило, на них отсутствуют автоматические устройства, синтезирующие энергосберегающие управляющие воздействия. В то же время энергетические потребности производства и возможности современной микропроцессорной техники диктуют необходимость перехода к энергосберегающим системам управления (ЭСУ), которые обеспечат синтез оптимальных управляющих воздействий в реальном времени с экономией знерго-ресурсов в динамических режимах 10-30 %. Это делает необходимым проведение исследований и практических работ по созданию средств оперативного проектирования ЭСУ технологическими процессами. Основные трудности при оперативном проектировании -получение за короткое время необходимой достоверной информации и математического обеспечения управляющего устройства.
Данная работа выполнялась в соответствии с научно-техническими программами "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" и "Интеллектуальная собственность высшей школы".
Тема диссертационной работы представляется весьма актуальной с научной и практической точки зрения.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является создание теоретических и методологических основ оперативного проектирования ЗГУ с использованием информационных технологий на базе современного математического аппарата анализа и синтеза оптимального управления динамическими объектами.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи.
-
Математически сформулировать задачу оперативного проектирования ЗСУ с учетом неопределенности исходных данных. Разработать алгоритмы дефадзификащга нечетких данных для формализации "задачи оптимального управления (ЗОУ).
-
Разработать модель ЗОУ, предназначенную как для проектирования ЗСУ, так и совмещенного синтеза оптимального управления міікроігроцессорньш устройством. Ввести классификацию моделей ЗОУ, учитывающую модель динамики объекта, вид минимизируемого функционала, стратегию реализации оптимальных управ-
ляющих воздействий, особенности условий и ограничений задачи управления.
3. На основе разработанных моделей ЗОУ создать методоло
гию и базу знаний (БЗ) для оперативного анализа и синтеза опти
мального управления. Выполнить полный анализ оптимального
управления (ОУ) на множестве состояний функционирования для
модели ЗОУ применительно к объекту второго порядка и миними
зируемого функционала затраты энергии.
-
Разработать архитектуру экспертной системы (ЗС) для оперативного проектирования математического обеспечения микропроцессорных управляющих устройств.
-
Реализовать разработанные модели, алгоритмы, методы и математический аппарат в виде инструментальных программных средств для оперативного проектирования ЭСУ.
-
Провести экспериментальную проверку новых информационных технологий на примере оптимального управления динамическими процессами при нагреве тел и в электроприводах.
Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, современной теории автоматического управления, анализа и синтеза сложных систем на множестве состояний функционирования, искусственного интеллекта, теории нечетких систем, системного анализа.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем.
Разработаны теоретические и методологические аспекты оперативного проектирования систем оптимального управления пс энергетическим критериям, включающие постановку задачи проектирования ЭСУ при нечетких исходных данных, алгоритмы формализации ЗОУ, методологию оперативного анализа и синтеза ОУ с использованием модели ЗОУ, информационно-технологическую схему проектирования ЭСУ.
Предложена модель ЗОУ, в основе которой лежит идеологи* универсального использования алгоритмов оперативного синтеза оптимального управления, отра:кающая одинаковый уровень абстракций для соответствующих классов моделей объектов, видов функционалов, стратегий, особенностей и ограничений ЗОУ. Модель 30 используется для автоматического синтеза оптимального управления при проектировании и функционировашш ЭСУ.
Разработана архитектура экспертной системы, которая на основе построенных моделей ЗОУ обеспечивает оперативный анализ і синтез оптимального управления на множестве состояний функционирования (МСФ).
Разработанные теоретические и методологические аспекть проектироваїшя инвариантны широкому классу динамических объектов.
На зашиту выносятся.
-
Математическая постановка задачи оперативного проектирования ЭСУ при нечетких исходных данных и алгоритмы формализации ЗОУ.
-
Информационная структура модели ЗОУ, занимающая центральное место в методологии и практической организации оперативного проектирования.
-
Результаты анализа и синтеза оптимального управления объектом второго порядка, минимизируемом функционале затраты энергии, программной стратегии, ограничениях на управление, фиксированном интервале времени и с закрепленными концами фазовых траекторий.
-
Архитектура экспертной системы и информационно-технологическая схема проектирования с ее использованием.
5. Результаты реализации информационных технологий на
примере оптимального управления динамическими режимами при
нагреве тел и в электроприводах.
Практическая значимость работы состоит в создании действующей экспертной системы "Энергосберегающее управление динамическими объектами", предназначенной для оперативной разработки математического обеспечения ЭСУ и включения в САПР таких объектов как электропривода, нагревательные установки и др.
Реализация работы. Основные теоретические и практические результаты использованы при разработке ЭСУ, осуществляющих в реальном времени синтез ОУ электроприводом, нагревом прессового оборудования, металлических заготовок, печей отжига. Результаты внедрены на двух предприятиях, использованы в хоздоговорных и госбюджетных НИР 1992-1998 гг. (1Г-92, 33-94, 41Г-94, 1Г-96, 10Г-97 и др.), проводимых по тематике энергосбережения, в учебном процессе ТГТУ, а также в виде модуля экспертной системы, размещенного на WWW-cepE ре в сети Internet Получены три свидетельства Российской Федерации на регистрацию программ для ЭВМ..
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации, докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: "Информационные технологии и системы" (Воронеж, 1993 г.); Международный научно-технический семігаар "Проблемы передачи и обработай информации в информационно-вычислительных сетях" (Москва, 1995 г.); Международная конференция-выставка "Открытые системы - путь к новому миру" (Москва, 1995 г.); II Международная теплофизическая школа (Тамбов, 1995 г.); Ш Минский Международный форум, Тепломассообмен ММФ-96 "Оптимальный нагрев тел" (1996 г.); Вторая международная конференция по дистанционному образованию в России ICDED'96 "Открытое и дистанционное обучение - стратегия развития" (Москва 1996 г.); Всероссийских и региональных конфе-
ренциях: IV Всероссийская конференция по информационным технологиям (Тамбов, 1995 г.); Российская научная конференция "Системные методы теории чувствительности, надежности и математического моделирования в информационных технологиях электроники и связи" (Москва-Сочи 1996 г.); Третья научная конференция преподавателей и студентов ТГТУ (Тамбов, 1996 г.); Повышение эффективности методов средств обработки информации (Тамбов, 1997 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликозано 29 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.