Введение к работе
Актуальность теш. Особое место в теории и практике автоматизации управления технологическими процессами занимают задачи управления технологическими объектами с распределенными параметрами. К ним, в частности, относятся задачи управления процессами тепло- и массообмена, которые являются доминирующими в химической технологии, теплоэнергетике, металлургии и термообработке. Использование простейших законов регулирования реализуемых с помощью стандартных промышленных регуляторов, зачастую не позволяет обеспечить заданного качества и точности процессов управления для указанного класса объектов, диктуемого современными высокими требованиями к качеству получаемой продукции. Возникает необходимость в разработке методов синтеза замкнутых систем управления объектами с распределенными параметрами промышленного назначения, учитывающих их характерные особенности, такие как распределенный характер управлений и измерений и бесконечную размерность уравнений математической модели.
Технической предпосылкой широкого внедрения подобных систем в практику автоматизации технологических процессов является создание современных средств микропроцессорной техники, обеспечивающих возможность реализации достаточно сложных алгоритмов управления- в реальном масштабе времени.
В настоящее время наиболее полно разработаны методы оптималь- -ного программного управления объектами с распределенными параметрами. В значительно меньшей степени исследованы методы синтеза замкнутых распределенных систем с обратными связями. В этой связи широкое распространение получили структурные методы, являющиеся обобщением частотных методов синтеза регуляторов применительно к распределенным объектам. Эффективные алгоритмы синтеза могут быть получены на, основе'метода пространства состояний. Их практическая реализация требует разработки конечномерных моделей распределенных объектов, ориентированных на решение задач оценивания состояния и управления. При этом характерные особенности распределенных технологических объектов требуют разработки новых методов понижения порядка их математических моделей, обеспечивающих выбор оптимальных параметров моделей по критерию точности аппроксимации динамических характеристик, выбор оптимальной размерности
модели с учетом сложности алгоритмов управления, учет динамических сзойств погрешностей, связанных с понижением порядка модели, что и определяет актуальность выбранной темы диссертации.
целью работы является разрабоїка методов и алгоритмов синтеза оптимальных конечномерных моделей для управления технологическими объектами с распределенными параметрами.
.для этого в работе обоснована необходимость решения сле-дующих задач:
разработки методов синтеза оптимальных моделей пониженного порядка стохастических распределенных объектов;
разработки методов оценивания состояния стохастических распределенных систем на основе моделей пониженного порядка;
разработки методов синтеза конечномерных наблюдателей для распределенных объектов, обеспечивающих компенсацию пог-решюсти понижения порядка;
экспериментального-исследования предложенных методов и алгоритмов на основе численного моделирования;
разработки алгоритмического и программного обеспечения для решения задачи управления температурными режимами отделения абсорбции содового производства.
Методы исследования основаны на теории управления в терминах пространства состояний, теории случайных процессов, оптимальной фильтрации и рекуррентного оценивания, а также методах статистического моделирования.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
разработан метод и алгоритмы параметрического синтеза конечномерных моделей стохастических распределенных объектов, обес-печивагадие, в отличие от известных методов 'понижения порядка модели, оптимальную' в среднеквадратическом смысле аппроксимацию динамических характеристик объекта;
разработаны метод и алгоритмы синтеза конечномерных наблюдателей состояния распределенных стохастических объектов, обеспечивающих минимизацию среднеквадратической погрешности, связанной с понижением порядка наблюдателя;
получены алгоритмы оптимального рекуррентного оценивания конечного числа мод с учетом корреляционных свойств дополнительной динамической погрешности, связанной с понижением порядка;
предложен метод синтеза конечномерных наблюдателей, обеспечивающих компенсацию в статическом режиме погрешности понижения порядка;
разработана методика выбора размерностей оптимальных конечномерных моделей и наблюдателей.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные' методы синтеза конечномерных наблюдателей и регуляторов.для технологических объектов с распределенными параметрами позволяют повысить точность и качество управления объектами рассматриваемого класса. Разработанная методика позволяет осуществлять выбор на этапе проектирования оптимальных параметров и размерностей моделей для широкого класса технологических объектов. Разработанные алгоритмы синтеза представлены в виде рекуррентных процедур, удобных в вычислительном отношении и реализованных в виде комплекса прикладных программ.
На основе предложенного подхода разработан метод синтеза каскадных регуляторов теплообменных процессов с динамическим наблюдателем в контуре управления.
реализация результатов работы, разработанные методы, алгоритмы и программы внедрены в ХНГО "Карбонат" при проектировании АСУ ТП отделения абсорбции содового производства на Славянском содовом заводе. Разработанный комплекс программ использован для построения модели процесса теплообмена в технологических установках отделения абсорбции и для расчетов законов управления расходом охлаждающей воды в пластинчатой холодильнике абсорбера с целью стабилизации температурных режимов. ЗкономическиЯ эффект от внедрения составил 30,14 тыс.руб.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на П Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых "проблемы оптимизации,в машиностроении" (Алушта,1986), Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы моделирования и управления- системами с распределенными параметрами" (Одесса, 19873, УІ Всесоюзной конференции "Матема-
6 тическое моделирование сложных химико-технологических систем" (Казань, 1988), Республиканской конференции "Методологические проблемы автоматизированного проектирования и исследования систем" (Севастополь, 1987).
Публикации. Содержание диссертации отражено в 8 печатных работах.
Основные положения, представляемые к защите.
Метода синтеза оптимальных моделей пониженного порядка для стохастических распределенных объектов.
Методы и алгоритмы синтеза детерминированных и стохастических наблюдателей пониженного порядка для объектов с распределенным» параметрами.
Алгоритм оценивания конечного числа иод на основе методов оптимальной фильтрации.
Методика численного тестирования) алгоритмов синтеза параметров моделей пониженного порядка для оценивания состояний и управления в промышленных технологических объектах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка лизературы из 98 наименований, приложения, содержит 118 страниц основного текста, 19 рисунков.