Содержание к диссертации
введение. 4
1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ В ТОПКЕ КОТЛОАГРЕГАТА КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ v.;. 16
1.1. Особенности процесса горения в топке котлоагрегата как объекта управления 16
1.2. Анализ существующих методов решения задачи структурного синтеза / прямой задачи АКОР / 23
1.3. Анализ существующих методов решения задачи параметрического синтеза / обратной задачи АКОР /... 35
1.4. Постановка задач для исследования. 41
1.5. Выводы по первой главе. 42
2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА / ПРЯМОЙ ЗАДАЧИ АКОР /. 44
2.1. Постановка и особенности задачи... 44
2.2. Решение задачи. Структура алгоритма управления 44
2.3. Аналитическое конструирование оптимальных регуляторов как динамическая задача многокритериальной оптимизации. Принцип пересечения... 49
2.4» Постановка и особенности решения задач структурного синтеза для частных случаев задания оптими зируемых функционалов 51
2.5. Выводы по второй главе... 62
3. КАЧЕСТВЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИНТЕЗИРОВАННОГО АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ... 64
3.1. Уравнения движения синтезированной системы управления 64
3.2. Качественное исследование синтезированного алгоритма управления. 66
3.3. Методика исследования синтезированной системы управления. 70
3.4. Качественное исследование синтезированной системы управления...;...•... 73
3.5. Выводы по третьей главе... 82
4* РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА / ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ АКОР 84
4.1. Постановка и особенности задачи...Г..., 84
4.2. Задание формы желаемого процесса 84
4.3* Методика выбора обобщенных управляющих параметров синтезированного алгоритма управления... 86
4.4. О размерности обобщенных управляющих параметров синтезированного алгоритма управления... 89
4.5» Выводы по четвертой главе... 94
5. СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ РУЧНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОБУЧЕНИЯ ИМ / НА ПРИМЕРЕ УЧАСТКОВОГО ТРЕНАЖЕРА горения А...;...;...;... 97
5.1. Особенности задачи...7. 97
5.2« Математическая модель деятельности человека-оператора в исследуемой системе управления... 99
5.3. Синтез алгоритмов прототипов и оптимальных, алгоритмов ручного управления 103
5.4* Методика обучения человека-оператора оптимальным алгоритмам ручного управления 114
5.5. Выводы по пятой главе 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 121
ПРИЛОЖЕНИЕ... ... 134
Введение к работе
Повышение эффективности и качества функционирования энергетики как отрасли народного хозяйства выдвигает на первый план, в частности, проблему формирования необходимого уровня профессиональной подготовки человека-оператора / I /. Это обуславливается следующим. Основой энергетической базы страны является энергоблок / I /. Единый, процесс производства электроэнергии на энергоблоке состоит из отдельных, относительно автономных технологических процессов, системы управления которых относятся к классу автоматизированных систем управления / АСУ ТП /.
Эффективность и качество функционирования АСУ ТП определяется, в частности, точностью поддержания / как в статическом, так и в динамическом режиме / значений технологических параметров / 2 Л Необходимая точность поддержания значений технологических параметров АСУ ТП может быть достигнута за счет совершенствования как технических средств системы управления, так и деятельности человека-оператора.
Степень совершенства деятельности человека-оператора в режиме ручного управления технологическими параметрами зависит от степени его профессиональной подготовленности / обученно-сти /, под которой понимается способность человека-оператора выполнять определенные действия с требуемыми качественными показателями и определяется наличием у человека-оператора определенных знаний, умений и навыков.
Несмотря на то, что доля ручного управления в процессе функционирования энергоблока является значительной / так, например, по данным ПО Союзтехэнерго, на энергоблоке 300 МВт степень автоматизации составляет около 50% / в настоящее время отсутствуют какие-либо правила ручного управления технологическими параметрами и человек-оператор руководствуется только личным опытом и интуицией Это приводит к недостаточной точности поддержания значений технологических параметров, ведет к снижению эффективности и качества функционирования как отдельных технологических процессов, так и энергоблока в целом / 3 / и обуславливает актуальность проблемы разработки метода синтеза оптимальных алгоритмов ручного управления технологическими параметрами и методики обучения им.
Цель диссертационной работы состоит в разработке метода синтеза оптимальных алгоритмов ручного управления / отработка отклонений параметров от заданных значений при условии, что переходной процесс удовлетворяет требуемым качественным показателям / и методики обучения им.
Как показывает отечественный и зарубежный опыт, овладение знаниями, возникновение умений и превращение всех элементов деятельности человека-оператора в навыки происходит успешно и экономически оправдано при предварительном обучении на тренажерах. Применение тренажеров для целей обучения по сравнению с обучением на действующем оборудовании позволяет существенно повысить качество и сократить время обучения, а также избавиться от неизбежных потерь, связанных с отклонением значений технологических параметров от заданных под влиянием тренировочной деятельности / 3 /.
В режиме ручного управления технологическими параметрами человек-оператор формирует и реализует управляющее воздействие. Необходимая точность формирования и реализации управляющего воздействия возможна лишь в случае, если человек-оператор "знает" •і вид, в смысле выбранного критерия качества, оптимальных алгоритмов ручного управления. Последние могут быть синтезированы на основе теоретико-экспериментального метода как математического аппарата / 4 /. Б соответствии со структурными особенностями теоретико-экспериментального метода задача синтеза оптимальных алгоритмов ручного управления решается в виде двухэтапной процедуры. На первом этапе на основе идей теории оптимального управления синтезируются оптимальные алгоритмы управления / так называемые алгоритмы прототипы ручного управления / безотносительно режима функционирования системы управления: автоматический полуавтоматический, ручной. На втором - синтезированные алгоритмы прототипы ручного управления трансформируются в оптимальные алгоритмы ручного управления, исходя из особенностей конкретного объекта управления и деятельности человека-оператора в исследуемой системе управления.
Методы, позволяющие синтезировать алгоритмы прототипы ручного управления / или, что равнозначно, решить задачу синтеза системы управления / базируются на идеях теории оптимального управления / 5 / и составляют группу временных / в отличии от частотных / методов синтеза / 6 /. Становление данной группы методов тесно связано с становлением теории оптимального управления / формулировка в 50-х годах принципа максимума Пон-трягина Л.С. и принципа оптимальности Беллмана Р. /,которая возникла в результате осознания двух положений:
1. Эффективность управления всегда может и должна быть выражена в виде некоторого критерия качества / обычно в виде функционала /, значения которого для сравниваемых вариантов указывают на предпочтительность того или иного из них;
2. Достижимые значения критерия качества ограничены, причем эти ограничения проявляются в виде ограничений, например, на управляющее воздействие, фазовые координаты, на накапливаемую или расходуемую энергию и т.п.
На важность второго положения и, в частности, на необходимость учета ограничения на управляющее воздействие неоднократно ука
зывалось / 7-Ю / : необходимость учета замкнутости и ограниченности области определения управляющего воздействия является спецификой прикладных задач управления / 8-Ю /, а конфигурация области определения определяется конкретными техническими характеристиками органов управления / 7,10 /.
Задача синтеза систем управления, решаемая при помощи методов, относящихся к группе временных, в достаточно общем виде может быть сформулирована следующим образом / II /. Необходимо определить алгоритм управления, доставляющий экстремум функционалу при дифференциальных связях ограничениях вдоль траектории и граничных условиях.
Здесь У. €- R -вектор фазовых координат; Ц €- R -вектор управляющих воздействий;!. €" -время; Ьо и I -начальный и конечный моменты времени соответственно;+(0fjWii -непрерывные и дифференцируемые по совокупности переменных ОС и и ; R R » R -некоторые пространства; С -некоторая область пространства R X R. к R ; 6 и т -многообразия в пространстве Rnx R1.
Конкретизация выражений /B-I/ /В-4/ порождает различные варианты задач. Одна из них, с учетом особенностей исследуемой системы управления / данный вопрос исследуется в первой главе /, может быть сформулирована следующим образом / 12 /.
Необходимо определить алгоритм управления, доставляющий экстремум функционалу Т Т т J \мЫли)М--[Ых+Мч)&1 = \с х№ ™иг)сЖ /в-5/ при дифференциальных связях Здесь Х= C Xij JOCIL 3 -матрица-столбец »t -мерного вектора фазовых координат; U -управляющее воздействие; А и & -матрицы с постоянными коэффициентами / матрица А устойчивая / 13 // порядка и-х и- и wl соответственно; УП -число; К -диагональная матрица порядка и. И/ ;Uw«x -заданное число; Т -конечный, не фиксированный момент времени; т -символ операции транспонирования.
Задача /В-5/ /В-8/ является задачей аналитического конструирования оптимальных: регуляторов / АКОР / / 14 / в форме A.M. Летова / 7 /.
В соответствии с принятой, в теории управления концепцией решение задачи /В-5/ /В-8/ состоит из:
- решения задачи структурного синтеза / прямой задачи АКОР / -определение структуры управляющего устройства при заданной структуре объекта управления;
- решения задачи параметрического синтеза / обратной задачи АКОР / - определение оптимальных, в некотором смысле, наст роек параметров управляющего устройства в рамках найденной структуры. При решении задачи /В-5/ /В-8/ приходится сталкиваться с определенными трудностями, которые связаны со следующими двумя, специфичными для задач данного класса, проблемами:
- обоснованный выбор структуры оптимизируемого функционала;
- обоснованный выбор весовых: коэффициентов / элементы t(, $ ifr vtj матрицы R. и число Yr\ / оптимизируемого функционала /В-5/.
Первая проблема обуславливается тем, что структура оптимизируемого функционала постулируется. Хотя структура каждого члена
Wot и \А/ц функционала /В-5/ имеет определенный физический смысл / 15 /, сам факт постулирования структуры в научной литературе критикуется / 16 /.
Вторая проблема связана с методами решения задачи структурного синтеза / прямой задачи АКОР /. В настоящее время при решении задачи структурного синтеза / подробный анализ методов решения приведен в первой главе / применяются:
- принцип максимума;
- метод динамического программирования;
- метод введения новых переменных;
численные методы Применение приципа максимума и метода динамического программирования для решения задачи структурного синтеза / прямой задачи АКОР / преполагает необходимость привлечения численных методов для:
- определения порядка управления и интегрирования в обратном времени системы дифференциальных уравнений порядка 2 и 2 v / при применении принципа максимума /;
- решения уравнения Риккати / при применении метода динамичес кого программирования /. Кроме того, возникает не тривиальная проблема склеивания решений, соответствующих областям фазового пространства с качественно различными управляющими воздействиями в каждой из них. Применяемые при этом методы основаны на различных итерационных: процедурах / интегрирование в обратном времени уравнения Га-мильтона-Якоби, решение регулярной задачи Коши для уравнения в частных: производных: первого порядка /, требуют привлечения сложных графических построений и вычислительной техники. Метод введения новых: переменных хотя и позволяет свести задачу неклассического типа к классической / или к простейшей неклассической /, однако при решении последней / а это, как правило, численные методы решения / встречаются свои трудности / 17 /:
- минимизация специальных функционалов с большими параметрами, при использовании метода штрафных функций, является крайне сложной процедурой, с очень ненадежными полученными результатами;
- введение новых переменных при помощи тригонометрических функций и преобразование Балентайна приводит к явлению "прилипания" управляющего воздействия к границе области насыщения и порождает множество "псевдостационарных" точек.
В процессе синтеза системы управления приходится учитывать весьма разнообразный комплекс требований, связанный с различными ее характеристиками. Эти требования можно объединить / 18, 19 / в некоторые основные группы, связанные со следующими свойствами синтезированной системы управления: статическими и динамическими, надежностными, характером эксплуатации, весовыми и габаритными, дополнительными специфическими. С точки зрения задачи /В-5/ /В-8/ наибольший интерес представляет группа требований, связанная со статическими и динамическими свойствами синтезированной системы управления. Качество функционирования синтезированной системы управления с точки зрения данной группы требований обычно оценивается при помощи так называемых вторичных, критериев / 16 / : точность, время управления, запас устойчивости, перерегулирование и другие. Перечисленные показатели не могут быть непосредственно учтены в исходной структуре оптимизируемого функционала /В-5/ / 6,18 /. Поэтому целесообразной / 6,20,21 / является следующая процедура решения задачи /В-5/ /В-8/. Решается задача структурного синтеза / прямая задача АКОР / при заданной структуре объекта управления /В-6/ и оптимизируемого функционала /В-5/. Далее в рамках найденной структуры управляющего устройства, решается задача параметрического синтеза / обратная задача АКОР / - такой выбор коэффициентов оптимизируемого функционала /В-5/ / элементы 1 , се/,ч] матрицы & и число УЛ / при значении которых процесс отработки синтезированной системой управления требуемого задания /В-8/ происходит с наперед заданными показателями качества.
В настоящее время при решении задачи параметрического синтеза / подробный анализ методов решения приведен в первой главе / применяются:
- методы математического программирования;
- математическая теория планирования многофакторного эксперимента;
- алгебраические условия оптимальности.
Применение перечисленных методов для решения задачи параметрического синтеза / обратной задачи АКОР / преполагает необходимость привлечения численных методов.
Необходимость привлечения численных методов на этапе решения задачи структурного синтеза / прямой задачи АКОР / не позволяет провести решение задачи /В-5/ /В-8/ в виде предложенной выше процедуры, делает невозможным или очень трудным обнаружение общих закономерностей синтезированной системы управления / 22 / и служит , в частности, основанием для утверждения / 18 / о существующем разрыве между работами в области теории оптимального управления и их практическим применением»
Наличие фактора эвристичности на этапе постановки задачи и необходимость привлечения численных методов при решении задачи структурного синтеза / прямой задачи АКОР / не позволяет синтезировать систему управления, удовлетворяющую / как в теоретическом, так и в прикладном аспектах / современным требованиям / высокая эффективность и качество функционирования / и обуславливает необходимость разработки новых методов анализа и синтеза,
В диссертационной работе ставится задача разработки для исследуемого класса объектов управления методов анализа и синтеза систем управления, удовлетворяющих следующим условиям:
- возможность аналитического решения задачи структурного синтеза / прямой задачи АКОР /;
- процедура анализа и синтеза должны быть реализуемы в виде программ ЦВМ на основе стандартного математического обеспечения;
- возможность получения наперед заданных динамических свойств в синтезированной системе управления.
В качестве математического аппарата используются методы современной теории экстремальных задач / 23 /, на перспективность применения которых для решения задач теории управления было обращено внимание в / 24 /. Применение данных методов позволило на этапе структурного синтеза / прямой задачи АКОР / провести аналитическое решение задачи / данный вопос исследуется во второй главе /, что в свою очередь, позволило:
- на этапе постановки задачи устранить элемент эвристичности в смысле задания структуры оптимизируемого функционала, рассматривая исследуемую задачу как динамическую задачу многокритериальной оптимизации / данный вопрос исследуется во второй главе /;
- классифицировать синтезированный алгоритм управления как функциональный нелинейный / 25 / / предельно-линейного типа /, реализация которого в системе управления возможна только по принципу обратной связи / на необходимость реализации алгоритма управления только по принципу обратной связи было указано
в / 26 / / данные вопросы исследуются во второй главе /;
- получить уравнения движения синтезированной системы управления и показать, что существует непрерывное продолжение в область насыщения / данные вопросы исследуются в третьей главе /;
- провести исследование синтезированного алгоритма управления, выявив качественную и функциональную аналогии между параметрами управляющего устройства и элементами оптимизируемого функционала /В-5/ / элементы ti tt6[ » »3 матрицы R и число
YA /, классифицировав последние как управляющие парамтры управляющего устройства / данные вопросы исследуются в третьей главе /;
- показать, что управляющие параметры суть размерные параметры синтезированного управляющего устройства / данный вопрос исследуется в четвертой главе /;
- получить структуру синтезированной системы управления, выделив в явном виде объект управления и управляющее устройство / данный вопрос исследуется в третьей главе /;
- из общей структуры управляющего устройства выделить звено, использующееся в качестве исполнительного механизма, а также усилительно-преобразовательную часть / данный вопрос исследуется в третьей главе /;
- разработать методику исследования синтезированной системы управления, основанную на понятии элементарной операции и реализуемую в алгоритмической форме как программа ЦВМ на основе стандартного математического обеспечения / данный вопрос исследуется в третьей главе /;
- исходя из общей концепции получения качественных показателей в синтезированной системе управления / 18,22 /, разработать методику выбора управляющих параметров из условия удовлетворения желаемому процессу и реализуемую в алгоритмической форме как программа ЦВМ на основе стандартного математического обеспечения / данный вопрос исследуется в четвертой главе /.
Основные теоретические результаты диссертационной работы использованы для синтеза оптимальных алгоритмов ручного управления технологическими параметрами процесса горения и разработки методики обучения им / данный вопрос исследуется в пятой главе /. Названные алгоритмы управления и методика обучения им внедрены на учебно-тренировочном центре ТЭС Минэнерго УССР по подготовке операторов энергоблоков 300 МВт и используются в учебном процессе в классе участковых тренажеров на участковом тренажере горения. Экономический эффект от внедрения составляет 30 тыс.рублей в год. Автор защищает:
- аналитический метод решения задачи структурного синтеза / пря мой задачи АКОР / для линейного объекта управления со скалярным, ограниченным управляющим воздействием;
- метод апостериорного задания структуры оптимизируемого функционала в виде интегрального,квадратичного канонического типа;
- методику исследования синтезированного алгоритма управления;
- методику исследования синтезированной системы управления;
- алгоритмический: метод решения задачи параметрического синтеза / обратной задачи АКОР /;
- метод синтеза оптимальных алгоритмов ручного управления технологическими параметрами и методику обучения им.
Диссертационная работа выполнена в процессе разработки учебно-тренировочного центра ТЭС Минэнерго УССР по подготовке операторов энергоблоков 300 МВт.
На различных этапах выполнения диссертационной работы автор пользовался консультативной помощью сотрудников Института автоматики: Ципцюры Р.Ю., Шумилова К.А., Соболева С.К., Волынского А.Н., Дорочинской А.П.
На этапе внедрения и аппробации полученных результатов в работе принимали участие следующие товарищи: сотрудники учебно-тренировочного центра Петленко Ю.А., Гаврилюк С.Н., Гриценко А.И. ; сотрудники предприятия Южтехэнерго Долгоносов Н.С.» Туманов А.Г»
Автор пользуется случаем выразить всем названным товарищам свою признательность и глубокую благодарность за помощь в выполнении настоящей работы.
