Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблемы и постановка задачи
1.1. Особенности управления энергоемкими объектами АПК в переходных режимах 13
1.2. Проблема выбора критериев качества управления 19
1.3. Анализ методов управления переходными процессами 26
1.4. Программно-технические комплексы для реализации систем управления энергоемкими объектами АПК 38
1.5. Выводы по первой главе 48
ГЛАВА 2. Разработка методов робастного управления энергоемкими объектами апк в переходных режимах I
2.1. Исследование переходных процессов в линейных системах управления технологическими процессами сельскохозяйственного производства 51
2.2. Разработка алгоритма управления линейными объектами с учетом ограничений на величину управляющих воздействий 55
2.3. Исследование систем с нелинейными регуляторами 78
2.4. Выводы по второй главе 72
ГЛАВА 3. Разработка методов адаптивного управления энергоемкими объектами АПК
3.1. Адаптивное управление объектами в переходных режимах на основе принципа наименьших квадратов 74
3.2. Адаптивное управление объектами в переходных режимах с использованием методов интерполяции 77
3.3. Адаптивное управление объектами в режимах стабилизации управляемых технологических параметров 80
3.4. Выводы по третьей главе 88
ГЛАВА 4. Разработка мрікропроцессорнои системы для управления энергоемкими объектами АПК
4.1. Применение Scada-системы GENIE для управления энергоемкими объектами АПК 89
4.2. Применение программируемых логических контроллеров для управления энергоемкими объектами АПК 103
4.3. Микропроцессорная система для управления энергоемкими объектами АПК 119
4.4. Анализ технико-экономической эффективности системы робастного управления процессом сушки молока 131
4.5. Выводы по четвертой главе 132
Общие выводы 134
Список литературы 136
Приложение. Внедрение научных разработок 149
- Особенности управления энергоемкими объектами АПК в переходных режимах
- Исследование переходных процессов в линейных системах управления технологическими процессами сельскохозяйственного производства
- Адаптивное управление объектами в переходных режимах на основе принципа наименьших квадратов
- Применение Scada-системы GENIE для управления энергоемкими объектами АПК
Введение к работе
Автоматизация технологических процессов и производств способствует повышению производительности труда, качества выпускаемой продукции и снижению удельных энергозатрат при ее производстве.
Автоматизация сельского хозяйства опирается на богатый опыт промышленности. Вместе с тем к методам и средствам автоматизации, применяемым в сельскохозяйственном производстве, предъявляют специфические требования, обусловленные его особенностями.
Основная особенность сельскохозяйственного производства заключается в неразрывной связи техники с биологическими объектами (животными и растениями), для которых характерны непрерывность процессов образования продукции и цикличность ее получения, невозможность увеличения выпуска продукции за счет ускорения производства. В этих условиях автоматика должна работать надежно, так как такой процесс нельзя прервать и практически невозможно наверстать упущенное путем интенсификации последующего периода [16, 130].
Необходимо также учитывать, что условия работы средств автоматики в сельском хозяйстве очень тяжелые и вероятность возникновения неисправностей значительно выше, чем в других отраслях народного хозяйства.
Поэтому средства сельскохозяйственной автоматики должны быть относительно дешевыми, простыми по устройству и надежными в эксплуатации.
Наиболее высокие требования к надежности средств сельскохозяйственной автоматики предъявляются при управлении энергоемкими объектами АПК в переходных режимах их работы, т.к. переходные процессы определяют наиболее важные показатели качества управления [46].
Действительно, при изменении режимов работы энергоемких объектов АПК, особенно при их пуске и останове, изменение управляющих воздействий и управляемых технологических параметров весьма значительно, что существенно повышает влияние различных нелинейностей, присущих ха-
5 рактеристикам сельскохозяйственных объектов, на качество управления.
Поэтому применение традиционных методов анализа и синтеза автоматических систем, основанных на использовании линейных моделей управляемых объектов, в переходных режимах их работы может приводить к снижению качества управления и к различным нештатным ситуациям.
Кроме того, в процессе функционирования сельскохозяйственные объекты подвергаются действию аддитивных и мультипликативных возмущений, причем аддитивные возмущения влияют на управляемые величины, а мультипликативные на статические и динамические характеристики управляемых объектов.
Это приводит к тому, что решение задачи идентификации, т.е. построения математической модели объекта, приходится осуществлять на основе весьма ограниченного объема зашумленных экспериментальных данных и расплывчатой априорной информации об объекте [131]. Наряду с этим характеристики объекта могут дрейфовать во времени, вследствие чего происходит старение модели.
При данных обстоятельствах использование эффективных методов нелинейного управления, основанных на принципе максимума Л.С. Понтря-гина [127, 132] и методе динамического программирования Р. Беллмана [128, 132] оказывается весьма затруднительным.
Поэтому в настоящей работе была поставлена задача разработки достаточно универсальных и простых в использовании методов управления различными сельскохозяйственными объектами в переходных режимах, обеспечивающих высокое качество управления при весьма ограниченной информации о характеристиках управляемых объектов.
Наибольшие издержки сельскохозяйственных предприятий обусловлены расходами на корма, оборудование и энергоносители. В частности, расходы на эти цели животноводческих комплексов по производству говядины и свинины составляют ежедневно десятки миллионов рублей, приходящихся на один комплекс. Аналогичные затраты имеют место на тепличных комбинатах, птицефабриках, предприятиях по производству и перера-
ботке кормов, зерноочистительно-сушильных пунктах и других технологических объектах сельскохозяйственного производства.
Автоматизация указанных объектов - доступный и сравнительно легко реализуемый практический способ увеличения эффективности производства. В первую очередь это объясняется тем, что технологические аспекты большинства сельскохозяйственных технологических процессов в настоящее время отработаны достаточно полно, а резервы повышения их эффективности, связанные с качеством управления и уровнем автоматизации в целом, использованы в меньшей степени.
Указанные резервы повышения эффективности технологических процессов производства особенно велики в случае автоматизации объектов сельскохозяйственных агрегатов, функционирование которых связано с тепло- и массообменом. Это теплицы, парники, сушильные установки, животноводческие помещения, птичники, хранилища сельскохозяйственной продукции, паровые и водогрейные котлы и другие энергоёмкие объекты.
Как известно [134], превышение температуры воздуха в теплице вследствие неточного регулирования всего на 1С приводит на площади 6 га к перерасходу газа до 116 м за один час. Согласно исследованиям, выполненным в работе [135] система регулирования климата в теплицах с помощью микроэлектроники обеспечивает прибавку урожая огурцов на 15% и экономит 15 ... 20% энергии.
В животноводческих помещениях при создании необходимых темпе-ратурно-влажностных условий электротермическими установками перерасход электрической энергии на отопление и вентиляцию ввиду неудовлетворительного качества регулирования достигает 10 ... 12%. Кроме того, указанные потери сопровождаются потерями продуктивности животных (до 15,5%) и перерасходом кормов (до 5%) [136].
Как показывают расчеты [137], оптимизация управления обработкой и хранением зерна позволяет повысить производительность машин на 20 ... 25%, снизить простои поточных линий в 4 ... 5 раз, обеспечить заданное качество готовой продукции и уменьшить затраты ручного труда в 2 ... 3 раза.
Таким образом, из всего многообразия сельскохозяйственных технологических процессов можно выделить тепло- и массообменные как экономически наиболее подходящие для автоматизации.
В этой связи отметим, что при управлении температурными режимами теплиц регулярно приходится осуществлять технологический переход «день-ночь», обусловленный отсутствием фотосинтеза в ночное время. При этом температура воздуха в теплицах снижается на 4 ... 6 С [130].
Поэтому решение задачи управления обогревом теплиц в переходных режимах работы весьма актуально и экономически эффективно.
В плане практической реализации систем управления обогревом теплиц в переходных режимах наиболее подходящими техническими и программными средствами управления являются программируемые логические контроллеры (ПЛК) и SCADA-системы, позволяющие реализовать алгоритмы управления практически любой сложности, осуществлять по мере необходимости их оперативную коррекцию, а также предоставлять оператору-технологу оперативную информацию об управляемом процессе в удобном для восприятия виде.
Термин SCADA - это сокращение английского термина Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных.
SCADA - пакеты прикладных программ поддерживают анимацию, мастер-объекты, исторические тренды и тренды реального времени, имеют встроенные языки программирования и библиотеки функций. Включают в себя среду разработки и исполнения, модули статистического контроля технологического процесса, менеджер рецептов, модули обращения к структурному языку SQL. SQL - Structured Query Language - структурированный язык запросов, это наиболее популярный и распространенный сервер баз данных.
Различные методы управления рассматриваемыми в работе технологическими процессами представлены в трудах отечественных и зарубежных ученых [1 - 137]. Однако, не решенной до конца, остается проблема разработки методов управления, не утрачивающих своей эффективности в харак-
8 терных для сельскохозяйственного производства условиях информационной неопределенности (неполноте или даже отсутствии достоверной информации о статистических характеристиках возмущающих воздействий, влияющих на контролируемые параметры технологических процессов, изменяющихся параметрах динамических характеристик управляемых объектов).
Таким образом, разработка методов, а также программно-технических средств управления сушильными установками и технологическими процессами обогрева теплиц в переходных режимах является актуальной задачей.
Диссертационная работа посвящена решению изложенных выше актуальных проблем и задач. Ее результаты отражены в публикациях [138-141]. Они нашли практическое применение:
1. При управлении температурным режимом сушильной установки «Нема-500» ЗАО «Мелеузовский молочно-консервный комбинат» г. Меле-уз.
2. В учебном процессе, методических пособиях, лабораторных работах и лекциях для студентов Российского государственного аграрного заочного университета (РГАЗУ) и Московского государственного агроинженерного университета имени В.П. Горячкина (МГАУ).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и одобрены на: X Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий «Инноватика 2005», г. Сочи в 2005 г.; XI Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности», г. Москва в 2005 г.
Основное содержание диссертационной работы представлено в четырех главах.
В первой главе анализируются литературные источники, рассматриваются особенности управления энергоемкими объектами АПК в переходных режимах. В результате установлено, что актуальна разработка методов, обеспечивающих высокое качество управления в переходных режимах работы объектов с учетом имеющихся нелинейностей, присущих как самому
9 объекту, так и исполнительным механизмам. Анализируется эффективность существующих методов управления переходными процессами, и их применимость при неполноте и даже отсутствии информации о статистических характеристиках возмущающих воздействий и динамических характеристиках каналов управления объектов. Рассматриваются также критерии управления и ограничения при их оптимизации. Представлен обзор программно-технических комплексов, предназначенных для формирования и обработки информации об объектах, управляемых посредством микропроцессорных средств в комплекте с межсетевыми структурами, программным обеспечением и сервисными средствами для эксплуатации, поверки, контроля работы, наладки и обслуживания и др. В заключение главы даны выводы, определяющие конкретные задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассматриваются задачи, связанные с разработкой методов робастного управления энергоемкими объектами АПК в переход-ных режимах работы. При этом вначале анализируются переходные процессы в линейных системах управления, для которых установлено, что независимо от вида используемых регуляторов сигнал управления по завершении переходного процесса стремиться к одному и тому же установившемуся значению, определяемому статической характеристикой управляемого объекта. Затем полученная закономерность используется при разработке алгоритмов управления линейными объектами с учетом существующих ограничений на величину управляющих воздействий. На основании полученных результатов делается вывод, что для эффективного управления энергоемкими объектами АПК в переходных и установившихся режимах работы целесообразно использовать нелинейный регулятор с переменной структурой, причем для управления с помощью данного регулятора переходными режимами как линейных, так и нелинейных объектов требуется лишь информация об их статических характеристиках.
Третья глава посвящена решению задач адаптивного управления энергоемкими объектами АПК, как в переходных, так и в установившихся режимах работы с использованием разработанного нелинейного регулятора
10 с переменной структурой. При этом разработаны методы идентификации статических и динамических характеристик нелинейных объектов управления. Причем установлено, что для объектов с известным законом изменения статических характеристик, оценку неизвестных значений численных коэффициентов этих характеристик целесообразно осуществлять на основе метода наименьших квадратов, а для объектов с неизвестным законом изменения статических характеристик для их идентификации предложено использовать различные методы интерполяции. В установившихся режимах работы объектов осуществляется идентификация динамических характеристик линеаризованного объекта, т.к. для этих режимов характерны сравнительно небольшие отклонения управляемых величин от их заданных значений, что в большинстве практически значимых случаев позволяет с достаточной точностью осуществить процедуру линеаризации.
В четвертой главе решается комплекс задач по внедрению разработанных методов управления в сельскохозяйственное производство. При этом обосновывается целесообразность использования SCADA- пакета программ GENIE, являющегося инструментальной средой разработки приложений сбора, обработки, графического представления данных и управления, содержащего встроенные функциональные блоки и графические элементы отображения, позволяющие значительно сократить затраты на разработку программного обеспечения для систем автоматизации. При этом на основании выполненного анализа возможностей пакета GENIE сделан вывод о целесообразности его использования для управления в реальном времени обогревом теплиц и другими технологическими процессами сельскохозяйственного производства. Для технической реализации разработанных методов применительно к управлению переходными режимами энергоемких объектов АПК используется программируемый логический контроллер Modicon TSX Momentum, выпускаемый компанией «Шнейдер Электрик», имеющего модульную структуру, в состав которой входят модули распределенного ввода/вывода, процессоры коммуникационных адаптеров и адаптеров расширения. Модульная конструкция и адаптируемость контроллера
Modicon TSX Momentum дает необходимую гибкость в создании систем отвечающих всем требованиям современного сельскохозяйственного производства. Разработанный программно-технический комплекс применяется для практической реализации микропроцессорной системы нелинейного управления сушильной установкой "Нема-500" на ЗАО "Мелеузовский мо-лочноконсервный комбинат" (г. Мелеуз) и обогревом теплиц на ЗАО «Агрофирма «Подмосковное».
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Установлено, что по завершении переходных процессов, как в линейных, так и нелинейных системах с устойчивыми объектами сигнал управления стремится к значению, определяемого лишь статической характеристикой управляемого объекта и не зависящего от вида используемого регулятора.
Предлагается использовать статические характеристики управляемых объектов для синтеза алгоритмов управления, как линейными, так и нелинейными объектами в переходных режимах, поскольку в этом случае значительно уменьшается длительность переходных процессов, а для объектов, не содержащих колебательных звеньев, удается полностью устранить перерегулирование, что способствует сокращению теплопотерь в системах управления процессами теплообмена.
Для управления энергоемкими объектами АПК в переходных и установившихся режимах разработан нелинейный регулятор переменной структуры, что позволяет осуществлять эффективное управление в указанных режимах, как линейными, так и нелинейными объектами.
Разработан метод определения неизвестных статических характеристик управляемых энергоемких объектов АПК.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Метод управления энергоемкими объектами АПК в переходных режимах, базирующийся на использовании их статических характеристик.
Регулятор переменной структуры, предназначенный для управления
12 энергоемкими объектами АПК, как в переходных, так и установившихся режимах работы.
3. Методы идентификации статических характеристик управляемых энергоемких объектов АПК.
Диссертация выполнена на кафедре электрооборудования и автоматики Российского государственного аграрного заочного университета (РГАЗУ).
Особенности управления энергоемкими объектами АПК в переходных режимах
Переходные режимы работы энергоемких объектов АПК, к которым относятся также режимы пуска и останова, являются наиболее сложными для управления, поскольку при этом по каналу задания на систему действуют значительные возмущения и на качестве управления может существенно сказываться нелинейность характеристик исполнительных механизмов и самого объекта.
Рассмотрим наиболее характерные нелинейности, присущие энергоемким объектам АПК.
Система автоматического управления или регулирования называется нелинейной в том случае, если хотя бы одно звено системы описывается нелинейным уравнением (обладает нелинейной характеристикой).
Линейные системы как обыкновенные, так и другие (с запаздыванием, с распределенными параметрами, с переменными параметрами и дискретные). Система любого из этих видов становится нелинейной, если хотя бы в одном звене системы имеется какое-либо отклонение от линейной зависимости. Поэтому класс возможных нелинейных систем весьма широк.
Строго говоря, все реальные системы являются в большей или меньшей степени нелинейными. Однако во всех случаях, когда с инженерной точки зрения допустимо рассматривать линеаризованную систему, обращаются к линейной теории как более простой и более разработанной. И только тогда, когда нелинейность играет существенную роль в поведении системы, прибегают к теории нелинейных систем, которая становится все более важной для практики по мере повышения требований к качеству процессов и к точности расчета систем автоматического управления и регулирования.
Различают статические и динамические нелинейности.
Статические нелинейности — это нелинейности статических характеристик. Они могут быть непрерывными (рис. 1.1), или релейными (рис. 1.2). С другой стороны, они могут быть однозначными (рис. 1.1 и 1.2), петлевыми гистерезисными (рис. 1.3) или опережающими (рис. 1.4). На рисунках даны примеры аналитического описания статических нелинейностей. Нелинейные статические характеристики могут иметь и более сложный вид, как это показано, например, на рис. 1.5, а) Комбинация релейной и линейной характеристик; б) характеристика расхода газа %2 при разных давлениях в зависимости от открытия клапана Х\; в) зависимость скорости привода Х2 от управляющего сигнала Л при разных нагрузках; г) зависимость между моментом и угловой скоростью электродвигателя при разных напряжениях.
В системе с переменными параметрами фигурирует зависимость коэффициентов от времени, в то время как нелинейность характеризует их зависимость от координат (или производных). Точно так же, например, гистерезис (рис. 1.3) представляет собой нелинейное (координатное) запаздывание, в отличие от временного или инерционного в линейных системах. Аналогично на рис. 1.4 представлено нелинейное (координатное) опережение.
Конечно, могут быть нелинейные звенья с переменным параметром, например вида [Tx{xx,t)p + \\x2 =kxxx, а также нелинейные запаздывающие звенья типа Примерами динамических нелинейностей могут служить также любые нелинейные дифференциальные, разностные и интегральные уравнения.
Нелинейности в системах управления и регулирования могут быть естественно присущими реальной системе (трение, люфт, гистерезис, зона нечувствительности, насыщение) и зачастую вредными; влияние их в этом случае надо стремиться уменьшить. Но могут быть и специально вводимые нелинейности для придания системе желаемых свойств. Таковы, например, релейные элементы и различные нелинейные и псевдолинейные корректирующие устройства. Большой интерес представляют также логические нелинейные управляющие блоки и системы с переменной структурой.
Оптимизация систем автоматического управления также в большинстве случаев связана с введением специальных нелинейностей в контур системы.
Введение специальных нелинейностей приводит к различным, нелинейным законам управления, которые обладают более богатыми возможностями по сравнению с линейными.
Основное назначение критерия качества управления — численно оценить качество управления и успешность решения задачи управления. Выбор критерия управления обычно осуществляется в зависимости от характера решаемой задачи, статистических сведений о входных сигналах, а также на основании опыта и интуиции разработчиков автоматических и автоматизированных систем.
К критериям управления предъявляются два общих требования: во-первых, он должен соответствовать поставленной задаче управления, т.е. служить действительной мерой успешности ее выполнения; во-вторых, он должен быть достаточно прост, чтобы можно было математически решить поставленную задачу [68].
Исследование переходных процессов в линейных системах управления технологическими процессами сельскохозяйственного производства
Наиболее сложными и ответственными при управлении технологическими объектами сельскохозяйственного производства являются процессы изменения режимов работы данных объектов, в частности, процессы их пуска и останова, т.к. при этом система функционирует в экстремальных условиях, и погрешности в управлении могут привести к различным нештатным ситуациям.
При изменении режимов работы технологических объектов в системах управления возникают переходные процессы, которые необходимо завершить в кратчайшее время при допустимых значениях величины перерегулирования.
Для линейных стационарных систем были разработаны весьма эффективные методы управления, обеспечивающие приемлемое качество управления переходными процессами. Воспользуемся одним из них, рассмотренным в 1.3.
Пусть технологический объект управления линеен, стационарен и его передаточная функция задана выражением Кб ) = „ _ ... 1 ,„ , ,,, (2.1.1) 06 (1 + ВД(1 + Г25)2(1 + Г3 )3 где Коб =2,5; 7j =30с; Т2=20с; Т3=10с. (2.1.2) Для управления объектом (2.1.1), (2.1.2) воспользуемся ПИД регулятором с передаточной функцией (1.3.12). Тогда в результате решения системы уравнений (1.3.17), (1.3.18) при mn = 0,366 получим К =0,8443; Ти = 38,91с; Тд = 25,88с. (2.1.3) Рассмотрим переходный процесс, возникающий на выходе объекта при скачкообразном изменении сигнала задания .Узд (0 согласно выражению
В тех случаях, когда выполняется неравенство umax U, (2.2.2) где итах - максимальное значение модуля управляющего воздействия u(t) при использовании линейного алгоритма управления, наличие ограничения (2.2.1) не влияет на переходные процессы в системе и при линейности объ екта ее можно рассматривать как линейную. Так часто и поступают для уп рощения анализа, выбирая значения параметров настройки регулятора, обеспечивающие выполнение требования (2.2.2). Необходимо, однако, учитывать, что при этом качество управления системой может оказаться не самым высоким. Поэтому проанализируем влияние ограничения (2.2.1) на качество переходных процессов в системе (1) - (4) в тех случаях, когда неравенство (2.2.2) не выполняется. Пусть U=50, (2.2.3) тогда для управления объектом (2.1.1), (2.1.2) можно использовать алгоритм, заданный следующим выражением:
Сопоставив графики на рис. 2.1, 2.5 и 2.8 приходим к выводу, что правильный выбор величины U в соответствии с равенством (2.2.8) обеспечивает как полное устранение перерегулирования, так и значительное уменьшение длительности переходных процессов.
В строго линейных системах такого эффекта добиться невозможно, т.к. перерегулирование и длительность переходных процессов в них связаны достаточно жесткой зависимостью, согласно которой с уменьшением величины перерегулирования возрастает длительность переходных процессов. Поэтому устранение этой взаимосвязи в нелинейных системах способствует существенному повышению качества управления теплообменными процессами сельскохозяйственного производства. Действительно, при управлении теплообменными процессами весьма важно устранить перерегулирование, т.к. обогрев различных сельскохозяйственных помещений требует значительных энергозатрат, а для устранения перегрева данных помещений необходимо избавиться от избыточного тепла, открыв фрамуги или форточки, что приводит к потерям тепла.
Следовательно, применение нелинейного алгоритма управления (2.2.4), (2.2.5) способствует энергосбережению при управлении теплообмен-ными процессами сельскохозяйственного производства. Сопоставим теперь графики изменения сигнала управления u(t) при скачкообразном изменении сигнала задания y3a(t), представленные на рис. (2.2), (2.4), (2.6) и (2.9). Сопоставив эти рисунки, установим, что только при выполнении равенства (2.2.8) изменение сигнала управления u(t) происходит очень быстро, практически скачкообразно, что иллюстрируется графиком на рис. 2.9.
Отметим, что такое изменение сигнала управления позволяет минимизировать перемещения регулирующего органа в процессе управления, а это способствует уменьшению его износа, а также дополнительной экономии энергозатрат на его механическое перемещение в ту и другую сторону, свойственное колебательным движениям.
Следовательно, переход от линейных алгоритмов управления к нелинейным способствует не только более полному учету существующих физических ограничений на возможные изменения сигнала управления w(/) но и значительному повышению качества управления, которое достигается даже при управлении строго линейными объектами.
Адаптивное управление объектами в переходных режимах на основе принципа наименьших квадратов
Поскольку применение разработанного во второй главе робастного метода управления энергоемкими объектами АПК в переходных режимах работы требует знания лишь статических соотношений «вход-выход», то в тех случаях, когда вид этих статических зависимостей известен, а неизвестны лишь значения используемых в них коэффициентов, для их определения можно использовать экспериментальные методы, базирующиеся на принципе наименьших квадратов.
Рассмотрим данный принцип более подробно. Он был открыт немецким математиком Карлом Фридрихом Гауссом, который опубликовал свою первую работу по этому вопросу в 1821 г. и затем возвращался к нему неоднократно в течение всей своей жизни. Его принцип наименьших квадратов представляет собой одно из первых крупных достижений в статистике, и даже на сегодняшний день он является одним из самых мощных методов, имеющихся в распоряжении статистиков.
Предположим, что выход у некоторой системы может быть предсказан по к - входным переменным Xfj, h = 1, к с помощью некоторой предполагаемой линейной модели У=1,0ЬЧ- (3.1.1) h=\ Например, в тех случаях, когда рассматриваются устойчивые объекты с динамическими и статическими нелинейностями вида W(0 + I ag(y)dgy(t)ldtk = Ybhuh(t), g=l h=0 возникает необходимость в определении значений коэффициентов 0 , h = l,k в равенстве к Узд=Хви (3.1.2) h=\ где 6h=bh/a0.
Следовательно, в рассматриваемых случаях входные переменные х , h — \k определяются следующими выражениями:
Линейная теория наименьших квадратов имеет дело с оцениванием параметров 0 по данным, состоящим из одновременных измерений входных и выходных переменных. Значения, полученные в результате оценки параметров, можно подставить в (3.3.1) и полученное при этом выражение использовать для предсказания выхода при тех значениях входных переменных, которые появятся в будущем.
На практике можно наблюдать лишь отклик у , искаженный некоторой ошибкой z. Такое искажение неизбежно из-за ошибок измерения и из-за изменчивости, которую невозможно контролировать. Если модель не вполне соответствует действительности, то ошибка может иметь систематическую компоненту, обусловленную этим несовершенством модели. Поэтому окончательный вид модели следующий: к г - Уг + Zr - H hxrh + %г Л=1 , (3.1.3) где а) Yr, г = 1, N - случайная величина, соответствующая измеренному отклику уг в г -м эксперименте; б) Xfo, h — \,k - значения, принимаемые входными переменными в г -м эксперименте; в) Zr - случайная величина, представляющая ошибку, причем M[Zr] = О, где М[...] - оператор математического ожидания.
Теорема Гаусса. Подход с помощью метода наименьших квадратов к за 76 даче оценивания содержится в фундаментальной теореме Гаусса. Она утверждает, что если ошибки Zr некоррелированы, т. е. Cov [Zq, Z„ ] = О
при q Ф ju, и имеют нулевое среднее значение M[Zr ] = 0 и одинаковую дисперсию M\Zr ] = (7 , то оптимальными выборочными оценками параметров Of,, h = \,k являются значения 0 , h = 1,к, минимизирующие сумму квадратов расхождений между наблюденными значениями и подбираемой моделью, т. е. сумму квадратов N S(0\,02 - k)= Z У г - lL9hxhr h=l -а (3.1.4) Выборочные оценки Ofj, h = \,k оптимальны в том смысле, что для любой линейной функции к Л=1 оценка Л=1 имеет наименьшую среднеквадратичную ошибку. Выборочные оценки наименьших квадратов 0 , h — \k можно получить, дифференцируя S(0i,02,...,0r ... 0k) по 0Г и решая полученную систему из к уравнений
Применение Scada-системы GENIE для управления энергоемкими объектами АПК
Пакет разработки GENIE, поставляемый фирмой Advantech, является средой разработки и исполнения программного обеспечения сбора данных, с помощью которого можно решать разнообразные задачи автоматизации технологических объектов практически любого уровня сложности.
GENIE является также инструментальной средой разработки приложений сбора, обработки и графического представления данных и управления, которая содержит множество встроенных функциональных блоков и графических элементов отображения, позволяющих сократить затраты на разработку программного обеспечения для систем автоматизации. Разработка приложений состоит в выборе соответствующих функциональных блоков, установлении логических связей между ними, создании графического интерфейса оператора и настройке форм отчетов (рис. 4.1).
Кроме традиционных средств создания интерфейса оператора GENIE включает в себя встроенную среду программирования на языке сценариев, совместимом с Visual Basic для приложений (VBA). Visual Basic является одним из наиболее популярных языков программирования. Для обеспечения идентичности методов программирования с Microsoft Visual Basic (VB) и Visual Basic для приложений (VBA) в систему разработки и исполнительную среду GENIE встроена среда программирования Basic-сценариев фирмы SUMMIT. Эта среда программирования значительно облегчает процесс реализации сложных алгоритмов обработки и анализа данных, являясь мощным и универсальным средством адаптации пакета к требованиям прикладной задачи.
Функциональные возможности: центр обработки данных с открытой архитектурой; программирование на языке сценариев, совместимом с Visual Basic для приложений (VBA); использование мультизадачное при реали зации алгоритмов сбора данных и управления; объектно-ориентированная І графика; стандартный интерфейс пользователя, принятый в Windows; разра ботка приложения с использованием функциональных блоков; настраиваемый редактор отчетов; отображение, управление и обработка данных в масштабе реального времени; построение графиков контролируемых параметров в масштабе реального времени; управление доступом к системной информации и органам управления; обработка событий/тревог; связь с другими приложениями Windows посредством механизма обмена данными (DDE); интерфейс прикладного программирования посредством механизма связывания и внедрения объектов (OLE Automation); библиотеки динамической компоновки, создаваемые пользователем; возможность организации сетевого взаимодействия; поддержка протоколов DeviceNet и CANOpen.
Области применения: системы сбора данных и диспетчерского управ It ления, автоматизации производственных участков; создание автоматизиро ванных рабочих мест технолога; автоматизация лабораторных измерений; измерительные комплексы; системы и комплексы автоматизации испыта ний. Особенности и разрешающая способность GENIE. Программные пакеты разработки интерфейса оператора достаточно сложны. Встроенная среда разработки программных сценариев, совместимая с Microsoft VB и VBA, обеспечивает разработчика системы большим набором инструментов, который называется «редактор сценариев» (Script Designer). Редактор сценариев содержит множество функций VBA, включает ряд методов сбора и обработки данных, которые позволяют реализовать прикладные алгоритмы практически любого уровня сложности. В VBA реализована и постоянно расширяется поддержка многих функций операционной системы Windows (DDE, OLE Automation, ODBC). VBA-совместимый редактор сценариев пакета GENIE существенно упрощает разработку, модификацию и сопровождение приложений пользователя.
В состав GENIE входит большое количество различных средств организации взаимодействия с корпоративными программными комплексами обработки данных, включая механизмы динамического обмена данными (DDE), связывания и внедрения объекта (OLE Automation) и обмен информацией по локальной вычислительной сети с использованием протокола IPX. Для реализации связи между базами данных через SQL-запросы в GENIE встроены функции открытого взаимодействия баз данных (ODBC). Доступ в масштабе реального времени к данным, собираемым GENIE, может осуществляться при помощи интерфейса прикладного программирования на языке Си (Си API) путем непосредственного обращения к центру обработки данных GENIE (ОЕМЕ Data Center). Блок-схема GENIE представлена на рис. 4.2.
Открытость архитектуры GENIE гарантирует пользователю возможность интеграции пакета с корпоративной информационной системой, внедренной или внедряемой на предприятии.
В GENIE имеются специальные графические средства разработки и представления данных, которые называются «Редактор задач» (Task Designer) и «Редактор форм отображения» (Display Designer). В Редакторе задач используется информационно-поточная модель программирования, которая удобна для восприятия и алгоритмической интерпретации в сравне ний с традиционной линейной архитектурой текстовых языков программирования.
При разработке пользователем приложения создается блок-схема і, стратегии без акцентирования внимания на различных логических и синтаксических соглашениях, характерных для стандартного программирования. Объекты (пиктограммы функциональных блоков) выбираются из панели инструментов редактора задач и соединяются между собой для передачи данных от одного блока к другому. При создании графического интерфейса оператора редактор форм отображения позволяет осуществить разработку удобных для восприятия экранных форм отображения, причем достаточно быстро, посредством стандартных элементов отображения, входящих в пакет. Этот графический интерфейс оператора можно усовершенствовать с помощью специальных инструментов рисования и элементов отображения, определяемых пользователем. Библиотеки встроенных функциональных блоков и элементов отображения содержат наиболее часто используемые в промышленной автоматизации функции сбора, обработки и графического представления данных.
