Введение к работе
Актуальность проблемы. Решение триединой задачи: управление, идентификации и диагностирование промышленных объектов (ПО) с учетом явлений нестационарности, запаздывания и нелинейности ПО при комплексной автоматизации технологических процессов - необходимое условие обеспечения надежности, безопасности и конкурентоспособности производства.
В частности, в современных системах автоматического управления (САУ) перспективным является управление, в котором управляющие воздействия служат для обеспечения требуемого качества управления с учетом непрерывной идентификации и диагностики объектов управления. Например, дуальное управление, предложенное и обоснованное Фельдбаумом А.А. в начале 70-х годов прошлого столетия, применяется в САУ в том случае, когда априорная информация об объекте управления не является достаточной и изучение поведения объекта управления может дать дополнительные сведения об его свойствах.
Следует отметить, что процесс идентификации носит двойственный характер, так как решает одновременно две задачи - обеспечение требуемого качества управления ПО и формирование информации о его техническом состоянии.
Идентификация, синтез и диагностика ПО, несмотря на их общность, имеют свои специфические особенности и иерархию, которые и выделяют их как самостоятельные области исследований. Процесс идентификации ПО является необходимым условием при решении задач их синтеза и диагностики, причем при синтезе ПО возможны, а порой необходимы различного рода допущения, направленные на упрощение математических моделей с целью получения конструктивного результата. Точность идентификации всецело определяет глубину и достоверность формируемого диагноза ПО, то есть процесс идентификации ПО является основополагающим при разработке их алгоритмов диагностирования.
Теоретические обоснования идентификации динамики аналоговых технических объектов и систем приведены в работах: В.А. Бесекерского, М.В. Келдыша, М.А. Лаврентьева, Г.И. Марчука, Б.Н. Петрова, Е.П. Попова, Н.С. Райбмана, В.В. Солодовникова, А.Н. Тихонова, ЯЗ. Цыпкина, П. Эйкхоффа и других ученых. Весомый вклад в становление и развитие технической диагностики сложных технических систем как науки внесли ученые: Ю.В. Гуляев, Д.В. Гаскаров, М.П. Дунаев, А.В. Мозгалевский, Ю.Ф. Мухопад, С.А. Никищенков, П.П. Пархоменко, И.Н. Синдеев, Е.С. Согомонян и др.
В настоящее время, по данным отечественной и зарубежной печати, исследование вопросов контроля и диагностики соответствует переходному
4 этапу от частичной к полной автоматизации процесса диагностирования. Поэтому, наряду с вопросами разработки специализированных стендов для диагностирования ПО, необходимо решать вопросы по разработке компьютерных технологий системного анализа диагностической информации, что позволит существенно повысить глубину и достоверность формируемого таким образом диагноза при одновременном снижении трудоемкости.
Электромеханические и электротепловые объекты составляют основу современной промышленности, а их состояние определяет экономическую эффективность, конкурентоспособность и безопасность того или иного предприятия. Достаточно серьезное внимание инженерами и учеными уделяется разработке и исследованию прикладных методов диагностики электромеханических объектов, в особенности их идентификации как составной части технической диагностики.
Первостепенную важность проблема диагностирования электротепловых объектов приобретает в условиях всё возрастающего дефицита и стоимости энергоносителей. Однако, несмотря на ряд работ, посвященных исследованию динамики электротепловых объектов, изучению этих объектов как объектов диагностики не уделяется должного внимания, соответствующего важности этой проблемы.
Теория технической диагностики существенно опережает решения прикладных задач диагностики аналоговых (непрерывных) промышленных объектов. В определенном смысле можно говорить о разрыве теории и практики - явления, весьма характерного для науки по ряду объективных и субъективных причин.
Разработке абстрактных алгоритмов идентификации и диагностики виртуальных технических объектов посвящено достаточно много работ. К сожалению, в большинстве работ отсутствуют конкретные методы и алгоритмы, пригодные для применения на практике.
Разработанные автором прикладные методы и алгоритмы идентификации и диагностики аналоговых ПО исследуются на реальных электромеханических и электротепловых ПО, которые являются в данной работе объектами исследования.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов идентификации и диагностики аналоговых промышленных объектов. Исследования базируются на использовании в основном некорректных задач восстановления дифференциальных уравнений или передаточных функций с заранее определенными структурами по экспериментальным переходным характеристикам и эвристического анализа множества решений систем нелинейных алгебраических уравнений, сформированных из зависимостей коэффициентов дифференциальных уравнений или передаточных функций от структурных параметров ПО.
5 Для достижения цели необходимо решить ряд основных задач:
Разработать методы и алгоритмы идентификации и диагностирования аналоговых ПО, которые бы позволили существенно увеличить глубину и достоверность формируемого диагноза.
На основании решений некорректных задач определить значения структурных параметров, которые являются основой для формирования диагноза ПО.
Разработать аналитические методы определения допусков структурных параметров ПО.
На основе «W-метода» получить диагностические признаки возникновения неустойчивых явлений ПО с запаздыванием.
Для решения дифференциальных уравнений с запаздывающим аргументом использовать разложение е41 в ряд Маклорена.
Предметом исследования являются методы и алгоритмы идентификации и диагностирования аналоговых ПО.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы: теории автоматического управления, технической диагностики, теории функционально-дифференциальных уравнений, математического моделирования, параметрической идентификации, вычислительной математики, экспериментальных исследований и вычислительных экспериментов. Для проведения вычислительных экспериментов использовались программы: Visual Basic 6.0, Microsoft Excel, Mathcad 2001, Visual C++, Corel Draw, Trace Mode 5.0, Maple 9, а также разработанные по алгоритмам автора программы Time-Delayld v. 1.00, Vtorld v. 1.00.
Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными исследованиями в производственных и лабораторных условиях, формированием физически и математически обоснованных моделей динамики ПО, экспериментальными исследованиями и вычислительными экспериментами, производственными испытаниями, вычислением интегральных оценок степени идентичности динамических характеристик реальных ПО и их физико-математических моделей.
Научная значимость работы состоит: в разработке методов решения некорректных задач и использования их для формирования эффективных алгоритмов диагностирования аналоговых ПО; в исследовании перспективных методов диагностирования; в необходимости проведения системного анализа диагностической информации динамических процессов ПО.
Научную новизну составляют и выносятся на защиту следующие результаты:
1. Новые алгоритмы идентификации и диагностирования аналоговых электротепловых и электромеханических ПО, являющихся составной частью системного исследования ПО, как объектов диагностики.
Предлагаемые автором прикладные методы вторичной идентификации, позволившие в 2^-3 раза повысить точность идентификации переходных характеристик ПО и соответственно достоверность формируемого диагноза ПО.
Разработанный метод вторичной идентификации с учётом запаздывания и нестационарности позволяет существенно увеличить глубину и достоверность формируемого диагноза.
Вычислительные эксперименты и экспериментальные исследования позволили сделать вывод о том, что при формировании эффективных алгоритмов идентификации диагностики ПО могут быть использованы решения некорректных задач по восстановлению дифференциальных уравнений, методы оптимизации и естественные свойства понижения порядка дифференциальных уравнений, выделение частных решений, отключение нелинейно-стей и другие свойства ПО.
Разработанные алгоритмы позволили оперативно определять величины тех структурных параметров ПО, которые имеют определённую диагностическую ценность, в то же время не могут быть непосредственно или косвенно измерены или рассчитаны.
Предлагаемый метод активной диагностики позволяет определить оптимальные величины структурных параметров и характеристик ПО с учётом их индивидуального состояния, а также может быть использован для формирования самонастраивающихся элементов и систем ПО.
Показано, что при решении прикладных задач формирования диагноза аналоговых ПО с запаздыванием для инженерной практики приближённое решение дифференциальных уравнений с запаздывающим аргументом может быть получено на основе суммы трёх первых членов разложения е'41 в ряд Маклорена.
Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что они позволяют существенно увеличить глубину и достоверность формируемого диагноза, а также использовать полученную в результате диагностирования ПО информацию для прогнозирования постепенных и внезапных отказов и, в частности: 1) разработанные методы идентификации и диагностирования позволяют определять такие параметры ПО, которые не могут быть измерены или определены или для их определения требуется проводить трудоемкие и дорогостоящие эксперименты; 2) предложено ввести диагностическую передаточную функцию как обобщённую характеристику ПО в техническую документацию, а также датчики выходных сигналов и устройства для ввода в ЭВМ непрерывной оперативной идентификации и диагностирования ПО в режиме их нормального функционирования с целью выявления постепенных отказов и прогнозирования возможных внезапных отказов ПО; 3) результаты диссертационных исследований позволя-
ют определять не только диагностическую ценность исходных математических моделей объектов диагностики, но и алгоритмов их диагностирования, а также существенно увеличить глубину и достоверность формируемого диагноза; 4) основные результаты работы в виде методов, алгоритмов и программ использовались в Службе изоляции и перенапряжения ООО «ИЭСК» Северные электрические сети; 5) разработанные автором методы определения коэффициентов дифференциальных уравнений, первичной и вторичной идентификации, функциональных проб использованы для разработки алгоритмов и программ настройки системы группового регулирования активной мощности энергосистемы Братской ГЭС ОАО «Иркутскэнерго», проверки результатов системных испытаний при колебаниях частоты в энергосистеме, модернизации систем автоматического регулирования технологическими процессами на ТЭЦ-6 ОАО «Иркутскэнерго»; 6) на основе проведённых исследований при непосредственном участии автора была разработана и внедрена в эксплуатацию технологическая линия по диагностике, ремонту и обкатке ДВС на авторемонтном заводе (г. Братск); 7) результаты исследований использованы при формировании межкафедрального многоуровневого учебно-исследовательского комплекса по робототехническим технологиям ФГБОУ ВПО «БрГУ» и комплексной диагностике системы зажигания автомобилей. Следует отметить, что формирование таких учебно-исследовательских комплексов, в том числе и дистанционных, соответствующих современному уровню, при ограниченном финансировании - конструктивный способ решения задач, поставленных перед высшим образованием России.
Апробация работы. Основные направления и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях Хабаровского политехнического института с 1975 по 1980 годы, Винницкого политехнического института с 1980 по 1988 годы, Братского госуниверситета с 1988 по 2011 годы; межвузовских конференциях (Иркутск 1991 г., 2000 г., Томск 1999, г. Новосибирск 1999); на всесоюзных конференциях (г. Ленинград 1977, 1978, г. Харьков 1977, г. Владивосток 1975, г. Киев 1974, г. Пенза 2003, г. Тамбов 2009), на всероссийской конференции с международным участием (г. Красноярск 1999, Томск 1999), на научных конференциях и межкафедральных семинарах Иркутского Государственного университета путей сообщения (2006 - 2011 гг.).
Под руководством автора защищены три кандидатские диссертации.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 87 научных трудах, среди них в журналах, рекомендованных ВАК, - 12, в двух учебных пособиях, в монографии, в двух свидетельствах, в шести патентах на полезную модель. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 50 до 90%.
8 Положения, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа представлена на 255 страницах, включает 60 рисунков и 15 таблиц, библиографию из 199 наименований.
Похожие диссертации на Методы и алгоритмы идентификации и диагностирования аналоговых промышленных объектов
