Введение к работе
Актуальность исследования. Импульсные автоматические системы регулирования (АСР) получили применение в системах управления роботов и манипуляторов, в станкостроении, в авиационной, ракетно-космической, оборонной, транспортной, энергетической и других отраслях промышленности. Большой вклад в изучение таких систем внесли Я.З. Цыпкин, Ю.С. Попков, В.М. Кунцевич, Е.Н. Розенвассер, P.M. Юсупов, А.Х. Гелиг, И.М. Макаров, Н.Н. Слепов, Б.В. Дроздов, Н.Н. Куцый, П. Видаль, Э. Джури и др.
Указанные системы достаточно многообразны, и отдельный подкласс составляют системы, в которых регулирование осуществляется посредством интегральной широтпо-импульсной модуляции (ИШИМ). К основным их преимуществам относят: возможность достаточно легко согласовать её с цифровыми вычислительными устройствами, повышенная помехозащищенность, точность и надёжность, достаточно высокая эффективность при регулировании объектов с большой инерционностью и запаздыванием, возможность многоточечного регулирования и многократного использования линий связи. Всё это делает перспективным применение различных законов ИШИМ в целях повышения надёжности, качества автоматического регулирования различных технологических процессов. Изучению динамики систем с ИШИМ посвящены работы А.Х. Гелига, Н.А. Антоновой, А.Н. Чурилова, М.М. Ерихова, М.Я. Островского, О.Я. Каретного, М.М. Кипниса, В.И. Степанова, Л.Б. Соболева, О.Н. Соломахи и др. Но, несмотря на достаточно большое число исследований, ряд задач остаются нерешенными. Тем самым дальнейшее изучение систем с ИШИМ позволит расширить область их применения для автоматизации технологических процессов, что в конечном итоге отразится на эффективности последних.
Современной тенденцией разработки автоматизированных систем управления технологическими процессами является оптимизация как законов регулирования, так и структур автоматических систем, что естественным образом приводит к увеличению числа настраиваемых параметров и усложнению алгоритмов настройки. В системах с ИШИМ помимо этого, на пути применеши аналішгаеских методов для вычисления оптимальных настраиваемых параметров существенные трудности создает наличие дискретности в сочетании с нелинейностями и запаздываниями. Поэтому представляют интерес алгоритмы автоматической параметрической оптимизации (АПО), базирующиеся на достаточно хорошо зарекомендовавших себя методах теории чувствительности. Существенный вклад в развитие теории чувствительности сделан М.Л. Бы-ховским, Р. Томовичем, М. Вукобратовичем, П.В. Кокотовичем, Е.Н. Розенвассером, P.M. Юсуповым, ВИ. Костюком, Л. А. Широковым, АИ. Рубаном, М Эсламии др.
Вышесказанное позволяет утверждать об актуальности научно-технической задачи формирования и исследования алгоритмов АПО для систем с ИШИМ.
Объектом исследования являются автоматические системы регулирования с ИШИМ в технологических процессах.
Предметом исследования являются метод построения анализаторов чувствительности и алгоритмы автоматической параметрической оптимизации.
Целью диссертационной работы является формирование и исследование алгоритмов автоматической многопараметрической оптимизации систем с интегральной широтпо-импульсной модуляцией, обеспечивающих повышение качества процессов регулирования в промышленных автоматических системах.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
выполнить анализ импульсных АСР, обосновать выбор методов для формирования алгоритмов АПО для систем регулирования с ИШИМ;
разработать методику синтеза законов ИШИМ со многими настраиваемыми параметрами для повышения качества регулирования;
разработать метод построения анализаторов чувствительности систем с ИШИМ для вычисления функций чувствительности как по настраиваемым, так и по конструктивным параметрам;
сформировать и исследовать алгоритм АПО для одноконтурных систем регулирования с ИШИМ;
разработать методику применения сформированного на базе теории чувствительности алгоритма АПО одноконтурных систем для определения оптимальных настраиваемых параметров в многоконтурных АСР с ИШИМ;
создать алгоритмическое обеспечение процедуры адаптации, которая включает в себя идентификацию и определение оптимальных, исходя из принятого критерия, значений настраиваемых параметров, для двухконтурной системы стабилизации толщины изоляции кабеля с интегральным широтно-импульсным регулятором и дифференциатором.
Методы исследования включают метод градиента (для поиска оптимального значения функционала качества), методы теории чувствительности, обобщенного дифференцирования, математического моделирования технических систем, численные методы интегрирования и решения дифференциальных уравнений. Для реализации алгоритмов выбрана среда программирования Turbo Delphi 2006.
Научную новизну составляют и на защиту выносятся:
-
Методика синтеза законов односторонней ИШИМ, отличающаяся возможностью повышения качества интегрального широтно-импульсного регулирования за счёт увеличения числа настраиваемых параметров.
-
Метод построения анализаторов чувствительности, отличающийся возможностью вычисления производных моментов переключеній регулирующего воздействия по условиям переключения, которые основаны на интегралах с зависимыми от параметров подынтегральными функциями и пределами интегрирования.
-
Алгоритмы автоматической много параметрической оптимизации рассматриваемых систем (в общем случае многоконтурных), сформированные на основе впервые построенных анализаторов чувствительности, которые позволяют одновременно вычислять функции чувствительности по всем настраиваемым параметрам импульсного элемента (ИЭ), осуществляющего одностороннюю ИШИМ.
-
Оригинальная методика исследования работоспособности алгоритмов АПО систем с ИШИМ, характерной особенностью которой является использование идеи сходимости статических характеристик.
-
Процедура адаптации для двухконтурной системы стабилизации толщины изоляции кабеля с интегральным широтно-импульсным регулятором и дифференциатором, отличающаяся от существующих применением впервые построенных анализаторов чувствительности по конструктивным параметрам объекта регулирования системы с ИШИМ.
Достоверность результатов подтверждена применением общепринятого математического аппарата вывода формул и сопоставлением результатов численных экспериментов как с данными экспериментальных исследований, проведённых кафедрой «Электропривод и электрический транспорт» ФГБОУ ВПО «Иркутский
государственный технический университет» (ФГБОУ ВІЮ «ИрГТУ»), так и с результатами теоретических исследований.
Практическая значимость работы. Результаты исследований могут применяться в разработке и технической реализации систем с ИШИМ в различных областях промышленности. В частности, при производстве кабельных изделий новые научные результаты, полученные в направлении параметрической оптимизации многоконтурных АСР, могут обеспечить приемлемое качество производимых изделий за счёт поддержания оптимального, исходя из принятого критерия, импульсного регулирования толщины изоляционного слоя изделия, частоты вращения двигателей различных механизмов и других переменных состояния.
Сформированные алгоритмы реализованы в виде программ «Параметрическая оптимизация автоматической системы с широтно-импульсной модуляцией на основе интеграла от ошибки регулирования с последующим возведением его в первую и вторую степени», «Параметрическая оптимизация системы стабилизации толщины изоляции кабеля с двумя интегральными широтно-импульсными модуляторами», «Параметрическая оптимизация каскадной импульсной системы стабилизации толщины изоляции кабеля с интегральной широтно-импульсной модуляцией и модуляцией первого рода » и «Параметрическая оптимизация системы стабилизаціш толщины изоляции кабеля с интегральным широтно-импульсным модулятором и вспомогательной регулируемой величиной». Программы зарегистрированы в «Реестре программ для ЭВМ РФ». Свидетельства №2011617313, №2012613795, №2012613812 и №2012613811 о государственной регистрации программ для ЭВМ выданы Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
Разработанные алгоритмы и программы используются в учебном процессе в рамках дисциплины «Теория оптимального управления», курсового и дипломного проектирования на кафедре «Автоматизированные системы» в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный техішческий университет» (ФГБОУ ВПО «ИрГТУ»).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ХП Байкальской Всероссийской конференции с международным участием «Информационные и математические технологии в науке и управлении», Иркутск - Байкал, 2-7 июля 2007 года; на V Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применеіше высоких технологий в промышленности» (научно-технологические, экономические, юридические, политологические, социальные и международные аспекты), Санкт-Петербург, 28-30 апреля 2008 года; на III Всероссийской конференции «Винеровские чтения 2009», Иркутск - Байкал, 11-16 марта 2009 года; на IV Всероссийской конференции «Винеровские чтения 2011», Иркутск -Байкал, 9-14 марта 2011 года; на XII Всероссийской конференции молодых учёных по математическое моделированию и информационным технологиям, Новосибирск, 3-6 октября 2011 года.
Проводились регулярные обсуждения на семинарах при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ИрГТУ»).
Личный вклад автора в диссертации и совместных публикациях состоит в решении рассматриваемых задач, в формулировании и обосновании теоретических положений, разработке алгоритмов и программного обеспечения, проведении численных экспериментов. Научному руководителю - д.т.н. профессору Куцему Н. Н. принадлежат постановки задач и общая схема исследований. Все результаты диссер-
тации, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 14 публикациях, из которых 10 статей, 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ. Из общего числа статей 6 опубликованы в издаїшях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и 6-ти приложений. Общий объем работы - 170 страниц, из них 164 страницы основного текста, 38 рисунков, 1 таблица. Библиографический список включает 180 наименований.
