Введение к работе
Актуальность проблемы. Автоматизированное управление современными технологическими процессами и производствами происходит в условиях устойчивого и стремительного роста цен на энергоносители и сырье (к примеру, цены на электроэнергию в России за период 2000-2004г.г. росли на 40% каждые два года), поэтому становятся актуальными вопросы разработки новых эффективных, энергосберегающих технологий управления. Одновременно технологические процессы характеризуются нестационарностью параметров, что связано с изменяющимися свойствами исходного сырья, а также нестабильностью работы и износом технологического оборудования, поэтому подход к управлению технологическими процессами, как стационарными объектами - малоэффективен. Нестационарность ТП значительно осложняет анализ и синтез систем управления такого рода объектами, поскольку теория для стационарньж во времени систем управления не применима в данном случае. Таким образом, является актуальной проблема адаптивного управления технологическими процессами с нестационарными параметрами и синтез адаптивных прогнозирующих моделей, обеспечивающих локально-оптимальное управление.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка научно-методических основ адаптивного управления технологическими процессами с нестационарными параметрами, математических моделей, алгоритмов и методов синтеза адаптивных систем управления нестационарными динамическими объектами в условиях стохастической неопределенности (случайные сигналы на входе, случайные неизмеримые помехи на входе и выходе, и случайным образом изменяющиеся коэффициенты объекта).
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
ГОС НЛЦИМАЛЫ1АЛ I SKUMfttM
SnKJM
разработка метода синтеза измерительных устройств, устойчивых к действующим возмущениям, обусловленным нестационарностью электрофизических характеристик виноматериалов;
разработка метода повышения достоверности передачи информации в дискретных каналах АСУГП;
разработка метода построения адаптивных систем управления технологическими процессами с нестационарными параметрами;
разработка метода синтеза адаптивных прогнозирующих моделей нестационарных динамических объектов управления;
разработка метода оценки структуры и параметров адаптивных прогнозирующих моделей нестационарных динамических объектов управления;
разработка эффективного критерия переключения адаптивной системы из
режима идентификации в режим управления - и обратно;
разработка адаптивного регулятора обеспечивающего стабилизацию выхода объекта управления для случаев пренебрежимо малых или существенных помех на выходе;
разработка алгоритма построения адаптивной прогнозирующей модели
нестационарного динамического объекта управления;
разработка метода реализации адаптивных систем управления технологическими процессами с нестационарными параметрами на основе исследования и обработки переходных характеристик объекта управления.
Методическая база и методы исследования. Решение поставленных задач проведено на основе применения теории автоматического управления, теории идентификации и адаптивного управления, теории инвариантности, применения методов измерительной техники, в том числе радиоволновых методов и средств измерений, теории кодирования, теории вероятностей и математической статистики. Достоверность теоретических положений подтверждена методами имитационного моделирования, разработкой и реализацией лабораторных стендов, опытной эксплуатацией разработанных программных и технических средств управления на предприятиях виноделия.
Научная новизна исследований.
Разработаны научно-методические основы адаптивного управления технологическими процессами с нестационарными параметрами, адаптивные прогнозирующие модели, алгоритмы и методы синтеза адаптивных систем
управления нестационарными динамическими объектами в условиях стохастической неопределенности:
предложен и обоснован класс устойчивых многомерных односвязанных динамических линейных адаптивных прогнозирующих моделей с сосредоточенными изменяющимися во времени параметрами;
разработано математическое описание класса адаптивных прогнозирующих моделей в форме разностных уравнений т-го порядка с переменными коэффициентами, вычисляемыми в процессе идентификации;
на основе класса адаптивных прогнозирующих моделей предложен класс адаптивных прогнозирующих гетерогенных (неоднородных по измеряемым параметрам) моделей с использованием дополнительной информации об объекте, входящих аддитивно в разностное уравнение модели;
разработан метод синтеза адаптивных прогнозирующих моделей нестационарных динамических объектов управления;
разработан метод оценки структуры и параметров адаптивных прогнозирующих моделей нестационарных динамических объектов управления основанный:
на вычислении коэффициентов адаптивной прогнозирующей модели посредством аппроксимации экспериментальной переходной характеристики объекта управления адекватным разностным уравнением т-го порядка и оценке дисперсии адекватности, позволяющей установить прямую зависимость качества идентификации от порядка разностного уравнения модели;
на обработке множества экспериментальных переходных характеристик объекта управления и получении усредненной переходной характеристики, аппроксимируемой адекватным разностным уравнением т-го порядка, которое является начальным (базовым) уравнением адаптивной прогнозирующей модели нестационарного динамического объекта управления;
- исследованиями установлено, что необходимым условием идентифицируемости
нестационарного динамического объекта управления является выполнение
неравенства — < 1 и отсутствие наложения спектральных плотностей входов
Sx(a)
(Si(ui)) и коэффициентов (St (&>)) объекта);
- доказана теорема о принципиальной возможности достижения локально-
оптимального управления для нестационарного динамического объекта, по
синтезируемой адаптивной прогнозирующей модели;
для построения адаптивной прогнозирующей модели нестационарного динамического объекта в условиях стохастической неопределенности, разработаны:
методы синтеза инвариантных измерительных устройств (для измерения
уровня, расхода и концентрации виноматерналов), основанные на многоканальных
радиоволновых измерениях в ВЧ и СВЧ диапазонах частот, обеспечивающие
высокую точность измерения технологических параметров при действующих
возмущениях, обусловленных нестационарностью электрофизических
характеристик виномагериалов (получены патенты РФ: 2161779, 2164021, 2125244, 2125245,2120111,2152024 и решение о выдаче патента на изобретение РФ по заявке №2002131945/09(033854);
адаптивные методы повышения достоверности передачи информации в дискретных каналах АСУТП, основанные на выборе лучшей системы кодирования из группы для текущего состояния канала: а) по результатам исследования статистики ошибок в канале при ограниченной выборке; б) по результатам декодирования кодовьж векторов принятых из дискретного канала при использовании неполного алгоритма декодирования (получены патент РФ №2150785 и Свидетельство на полезную модель РФ №12878);
- разработан обобщенный критерий переключения адаптивной системы из режима
идентификации - в управление и обратно, повышающий реактивность адаптивной
системы управления ТП с нестационарными параметрами, качество идентификации
и управления;
разработан алгоритм построения адаптивной прогнозирующей модели нестационарного динамического объекта управления (включающий анализ устойчивости адаптивной системы и обобщенный критерий переключения);
- разработан метод построения двухконтурной адаптивной системы управления
технологическими процессами с нестационарными параметрами на основе
адаптивной системы с идентификатором (АСИ - первый контур адаптации) и
вербальной модели (второй, внешний контур адаптации), где сигнал управления
является линейной комбинацией сигналов АСИ и вербальной модели;
- предложено математическое описание двухконтурной адаптивной системы
управления, позволяющее проводить аналитические исследования
функционирования адаптивной системы в условиях стохастической
неопределенности;
- разработан адаптивный регулятор обеспечивающий стабилизацию выхода объекта
с минимальной дисперсией (для случаев пренебрежимо малых или существенных
помех на выходе).
Реализация результатов диссертационных исследований. Научные положения, теоретические и практические результаты исследований по теме диссертации апробированы и внедрены на ОАО «КОРНЕТ» (Московский завод шампанских вин), использованы и реализованы при выполнении госбюджетных НИР «Разработка радиофизических способов контроля технологических процессов пищевых производств» (Регистрационный номер 01.9.70 0 07566) и «Разработка научных основ радиофизических методов контроля и управления технологическими процессами» (Регистрационный номер 01.99.00 09057), при выполнении хоздоговорньж НИР по плану Минсельхоза РФ: «Исследование диэлектрической проницаемости водно-спиртовых растворов в ВЧ диапазоне с целью экспресс -анализа спирта в алкогольной продукции» (Регистрационный номер 0120.0 408233); «Исследование способов автоматизации технологических процессов с нестационарными параметрами исходньж виноматериалов» (Регистрационный номер 0120.0 403446). Результаты диссертационньж исследований используются в учебном процессе и применены при создании двух стендов адаптивных систем управления, а также при создании лаборатории «Микропроцессорных программируемых систем контроля и управления технологическими процессами» кафедры «Систем управления» Московского государственного университета
технологий и управления по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств».
Апробация результатов диссертационных исследований. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации доложены и обсуждены на: Всесоюзной конференции «Проблемы надежности при проектировании систем управления» Институт проблем управления АН СССР, М.: 1976г.; VI Всесоюзной конференции «Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ». Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР, Новосибирск, 1981г.; Всесоюзной конференции «Теория адаптивных систем и ее применение», Ленинград, 1983г.; Международной научной конференции «Современные проблемы пищевой промышленности», МГЗИПП, М.: 1997г.; Международной научно-технической конференции «Приборостроение-97», Винница-Симеиз, 1997г.; X Юбилейной научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», МГИЭМ, М.: 1998г.; Международной научно-технической конференции «Приоритетные технологии в пищевой промышленности», МГЗИПП, М.: 1998г.; Международной научно-практической конференции «Современные проблемы в пищевой промышленности», МГЗИПП, М.: 1999г.; XI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления». М.: МГИЭМ. 1999г.; VI-ой Международной научно-практической конференции «Пищевая промышленность на рубеже третьего тысячелетия», МГТА, М.: 2000г.; VII Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в пищевой промышленности третьего тысячелетия» МГТА, М.: 2001г.; Международной конференции «Параллельные вычисления и задачи управления», РАСО, Институт проблем управления им. ВА Трапезникова РАН, М.: 2001г.; Международной научно-практической конференции. «Стратегия развития пищевой промышленности», МГТА, М.: 2003г.; II Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO 03, Институт проблем управления им. В А. Трапезникова РАН, М.: 2003г.; на конференциях и семинарах
ИПУ РАН, МГУПП, МГУПБ, МГТА-МГУТУ в период 1998-2004гг. Результаты диссертационной работы отмечены дипломом Российской агропромышленной выставки (7-11 ноября 2000г.,ВВЦ) за представленную научно-техническую разработку «Адаптивная компьютерная система управления технологическими процессами в виноделии».
Публикации. Всего опубликовано 157 научных работ, в том числе, по теме диссертации 87 работ, получено 9 патентов России. Основное содержание диссертации отражено в 41 научных публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных результатов и выводов, списка используемой литературы, включающей 198 наименований, приложений, изложена на 477 страницах, содержит 117 рисунков и 12таблиц.
