Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 14
1.1 Краткий обзор современных проблем построения систем
управления технологическими процессами 14
1,1 Л Проблема выбора математической модели технологического
процесса 18
1.1-2 Проблема учета факторов неопределенности 22
1.1.3 Проблема получения информации и учета динамических
свойств измерительной подсистемы 27
1.1.4 Проблема нахождения управляющего воздействия в условиях
неопределенности 31
1.2 Постановка цели и задач исследования 36
Глава 2 МЕТОДОЛОГИЯ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ
МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ИДЕНТИФИКАЦИИ
СОСТОЯНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ 38
2Л Введение 38
2.2 Метод выбора оптимальной структуры модели технологического
процесса с учетом изменений по состояниям функционирования .,.. 40
2.2.1 Формирование множества структур моделей технологического
процесса 40
2.2.2 Постановка задачи выбора оптимальной структуры модели
технологического процесса на множестве состояний
функционирования 49
2.2.3 АлгоритхМ выбора оптимальной структуры модели
технологического процесса 51
2.3 Метод идентификации состояния функционирования
технологического процесса при нечеткой исходной информации .... 61
Постановка задачи на идентификацию 61
Алгоритм идентификации состояния функционирования
технологического процесса 62
2.4 Выводы 67
Глава 3 МЕТОДОЛОГИЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА НАБЛЮДЕНИЯ ПРИ НАЛИЧИИ СТРУКТУРНОЙ
НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ 69
3,1 Введение 69
3.2 Метод выбора оптимальной структуры модели наблюдения с
учетом изменений по состояниям функционирования 69
3-2-1 Постановка задачи выбора оптимального состава измерителей 74
3.2.2 Алгоритм выбора оптимального состава измерителей на
основе относительных приоритетов 77
3.3 Методы определения структуры оптимального фильтра,
учитывающие изменения состояния функционирования 81
3-3-1 Метод определения структуры линейного оптимального
фильтра 82
3-3-1.1 Обоснование метода 82
3.3 Л,2 Постановка задачи определения структуры линейного
фильтра, обобщенного на состояния функционирования ... 82
3-3Л.3 Выбор структуры линейного оптимального фильтра 83
3,3.2 Метод определения структуры нелинейного оптимального
фильтра 85
3.3.2Л Обоснование метода 85
Постановка задачи определения структуры нелинейного фильтра, обобщенного на состояния функционирования .... 86
Выбор структуры нелинейного оптимального фильтра... 90
3.4 Выводы 95
Глава 4 МЕТОДОЛОГИЯ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ
ФУНКЦИОНАЛА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ
ИЗМЕНЕНИЯХ СОСТОЯНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ 97
Введение 97
Метод выбора оптимальной структуры функционала с учетом изменений по состояниям функционирования 98
4.2Л Формирование множества структур функционалов на
экстремум 98
4.2.2 Постановка задачи выбора оптимальной структуры
функционала на множестве состояний функционирования 102
4.2.3 Алгоритм выбора оптимальной структуры функционала на
основе принципа гладкой обновляемой перестановки 105
4.3 Методы определения оптимальной стратегии управления,
учитывающие изменения состояния функционирования 110
4.3 Л Обобщение метода определения оптимальной стратегии
управления, основанного на принципе максимума 111
4.3.2 Обобщение метода динамического программирования для
определения оптимальной стратегии управления 114
4.4 Выводы 117
Глава 5 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ СО СТРУКТУРНОЙ
НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬЮ 119
Введение 119
Задача выбора оптимальной структуры модели технологаческого процесса 119
Постановка задачи 119
Алгоритм решения задачи 121
5.3 Задача идентификации состояния функционирования
технологического процесса 124
5,3 Л Постановка задачи 124
5.3,2 Алгоритм решения задачи 125
5.4 Задача выбора оптимальной структуры модели наблюдения 127
Постановка задачи 127
Алгоритм решения задачи 129
5.5 Задача определения структуры оптимального фильтра при
изменениях состояния функционирования 130
5.5.1 Определение структуры линейного оптимального фильтра 131
5.5.1 Л Постановка задачи 131
5,5.1-2 Алгоритм решения задачи 132
5.5.2 Определения структуры нелинейного оптимального фильтра .„ 132
Постановка задачи 132
Алгоритм решения задачи 133
5.6 Задача выбора оптимальной структуры функционала с учетом
изменений по состояниям функционирования 136
Постановка задачи 137
Алгоритм решения задачи 137
5.7 Задача определения оптимальной стратегии управления при
изменениях состояния функционирования 140
5.7.1 Постановка и алгоритм решения задачи при использовании
принципа максимума 141
5.7.2 Постановка и алгоритм решения задачи при использовании
метода динамического программирования 142
5.8 Выводы 144
Глава 6 ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВУЖАНИЗАЦИИ ПРИ МЕСТНОМ РЕМОНТЕ ШИН НА ОСНОВЕ
РАЗРАБОТАННОГО ПОДХОДА 146
6Л Введение 146
Краткое описание технологического процесса 146
Обзор состояний функционирования и факторов неопределенности 151
Выбор оптимальной структуры модели процесса 156
Идентификация состояния функционирования 163
Выбор оптимальной структуры модели наблюдения 167
Определение структуры оптимального фильтра 171
Выбор оптимальной структуры функционала 173
Определение оптимальной стратегии управления 178
Результаты исследования эффективности полученной системы управления 180
Выводы 189
Глава 7 ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВОЗДУХООБМЕНА В ЗАМКНУТОМ ПРОИЗВОДСТВЕННОМ
ПРОСТРАНСТВЕ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННОГО ПОДХОДА 190
Введение 190
Краткое описание технологического процесса 190
Обзор состояний функционирования и факторов неопределенности 202
Выбор оптимальной структуры модели процесса 206
Идентификация состояния функционирования 213
7.6 Выбор оптимальной структуры модели наблюдения 217
7-7 Определение структуры оптимального фильтра 221
Выбор оптимальной структуры функционала 223
Определение оптимальной стратегии управления 228
Результаты исследования эффективности полученной системы управления 229
Выводы 240
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 241
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 243
Приложение/! 270
Приложение В 273
Приложение С 277
Приложение D 279
Приложение 282
Приложение F 284
Введение к работе
Актуальность проблемы. Важным направлением повышения эффективности производства является разработка и внедрение систем управления (СУ), обеспечивающих оптимальный ход всех технологических процессов (ТП). Такой подход позволяет улучшить организацию производства в целом, а также решить частные задачи по экономии материальных и энергетических ресурсов, защите окружающей среды, повышению качества и конкурентноспособности выпускаемой продукции.
Широкий класс СУ ТТТ характеризуется функционированием в условиях различного типа отказов, изменений внешней среды, внутренних трансформаций при неполной и неточной исходной и текущей информации. Трудность построения СУ ТТТ такого класса обусловлена необходимостью разрешения проблем, связанных с преодолением параметрической и структурной неопределенности.
Задачам определения поведения и интервалов изменения неопределенных параметров динамической системы посвящено большое количество исследований. Имеются успешные решения по определению возможных значений параметров с использованием вероятностных методов, субъективных знаний экспертов и интервального анализа. Из развиваемых ныне направлений продуктивным является подход, основанный на "принципе гарантированного результата", где при принятии решения о параметрах с неопределенными значениями ориентируются па наихудший результат.
Задачи со структурной неопределенностью или, другими словами, по учету необходимой перестройки в системе, например, включения резервных элементов, перехода на другой режим работы, использования новых моделей и т.д., изучаются на протяжении последних трех десятков лет. Основные результаты исследований в этой области содержатся в работах СВ. Емельянова, И.Е. Казакова, В.М. Артемьева, В.А, Бухалева, Ю.Л. Муромцева при изложении вопросов теорий систем с переменной и случайной структурой, систем на множестве состояний функционирования. Подробно описаны задачи мультиструктур-
7 ного представления моделей, оптимизации алгоритмов оценивания, управления и определения вероятностей состояний структур- Однако сохраняется необходимость изучения проблем выбора наилучшего варианта структур моделей ТП, измерителей и функционалов для меняющихся условий функционирования. В настоящее время степень детализации, компромиссная сторона между сложностью, точностью и реализуемостью модели ТП и частей его СУ, а также учет факторов неопределенности выражаются эвристическими соображениями проектировщика с опорой на экспериментальные данные, если таковые существуют. Говорить о том, насколько эффективен используемый подход и лучшие ли варианты отбираются, довольно проблематично. Следовательно, нет большой уверенности в том, что полученные для ТП управления будут надлежащими.
В связи с этим все более острой становится потребность в разработке новых методов и алгоритмов, делающих возможным получение оптимальных решений для определения структур моделей ТП и отдельных составляющих СУ-Это обеспечит свободу в быстрой перестройке режимов функционирования, готовность к отказам и изменению целей работы, изменению номенклатуры выпускаемой продукции, расширению функциональных возможностей и создания открытой архитектуры СУ.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с постановлен нем Правительства РФ от 28.05.96 г, иО приоритетных направлениях развития науки и техники и критических технологий" по направлению "Интеллектуальные системы управления", планом Министерства образования РФ на 1995 - 2000 гг. (госбюджетная тема 'Теория, методы, алгоритмы управления динамическими системами, формализованными на нечетких множествах13).
Цель диссертационной работы состоит; в формировании концепции, разработке теоретических положений, методов и алгоритмов, позволяющих ставить и решать задачи построения СУ ТП? соответствующих классу систем со свойствами структурной неопределенности; в применении полученных результатов для построения СУ конкретными ТП,
Методы исследования, В диссертации научные исследования основы-
s ваются на методах теории управления, нечетких множеств, принятия решений и систем массового обслуживания.
Научная новизна. Разработаны концепция и методология построения СУ ТП со структурной неопределенностью на основе решения задач выбора и идентификации.
Обоснованы принципы формирования множества структур моделей ТП, измерителей и функционалов, учитывающие изменения по состояниям функционирования (СФ),
Получены методы и алгоритмы выбора оптимальных структур СУ ТП рассматриваемого класса и их частей.
Разработан метод идентификации СФ, позволяющий использовать качественные исходные оценки.
Разработан комплекс математических описаний, предназначенных для решения задач построения и имитационного исследования СУ ТП со структурной неопределенностью.
Обоснованность и достоверность научных положений и вьшодов подтверждается примепеїшем системного подхода, корректным использованием современного математического аппарата, проверкой на основе имитационных исследований, соответствием результатов данным, полученным в исследованиях других авторов.
Практическая ценность работы. Разработана методика построения СУ, использующая качественную оценку практиков и обеспечивающая требуемый ход ТП в условиях отказов и перестройки режимов функционирования.
Получены алгоритмы, позволяющие при наличии структурной неопределенности обеспечить автоматизацию процесса построения СУ и ее отдельных подсистем.
Разработано комплексное программное обеспечение, делающее возможным создание и исследование СУ ТП рассматриваемого класса.
С использованием предложенных методов и алгоритмов построены СУ процессами вулканизации и воздухообмена, исследованы динамические харак-
9 теристики этих процессов. Результаты исследования нашли свое применение в действующих СУ, оформлены в виде технической документации и переданы для использования разработчикам систем вулканизации и жизнеобеспечивающего оборудования.
Реализация научно-технических результатов. Полученные в диссертации теоретические результаты апробированы на практике и внедрены,на ряде отечественных и зарубежных научно-исследовательских и промышленных предприятий:
в ОАО "Научно-Исследовательский Институт Резинотехнического Maui иностроения", г. Тамбов при проведении научно-исследовательских работ, посвященных разработке и нахождению путей совершенствования СУ процессом вулканизации всевозможных резинотехнических изделий;
в ОАО "Торрус" (Авторемзавод), г, Тамбов при проектировании производства ремонтных работ по восстановлению эксплуатационной пригодности автомобильных шин различных типоразмеров для всех разновидностей участков повреждения и разработке СУ процессом вулканизации при местном ремонте шин, обеспечивающей минимальный расход электроэнергии в условиях нестабильности параметров силы тока и температуры внешней среды (экономический эффект 210 тысяч рублей, 2000 - 2003 гг.);
в ОАО "Тамбовполимермаш" при осуществлении ремонтных мероприятий, связанных с проведением работ по вулканизации резинотехнических изделий, получивших повреждения или пришедших в незапланированную стадию износа (экономический эффект 163 тысячи рублей, 2003 г.);
в ЗАО "Стройпласт - 2000", г, Тверь при разработке СУ процессом производства стекло пластиковых профилей в ходе определения состава комплекса измерителей для подсистемы наблюдения;
в ОАО "Пигмент", г. Тамбов при разработке и внедрении автоматической системы регулирования уровня концентрации кислорода и углекислого газа в помещении, предназначенном для выпуска аппретирующих веществ (экономический эффект 186 тысяч рублей, 2003 г.);
в ОАО "Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова" при вводе в строй, доработке и совершенствовании системы жизнеобеспечения в производственном помещении по выпуску солерастворителей (экономический эффект И 8 тысяч рублей, 2003 г.);
в ООО "Диана-Текс" г. Иваново при разработке СУ процессом воздухообмена в замкнутом производственном пространстве цеха по выпуску текстильной продукции;
в ЗАО "Гамма-Металл", г. Тамбов при доработке и совершенствований-узлов оборудования в системах жизнеобеспечения электросварочного и малярного цехов (экономический эффект 96 тысяч рублей, 2003 г.);
на фабрике "Griferia Marti\ Испания присовершенствовании СУ технологической линией по производству керамических стержней, используемых для очистки воды;
в ОАО 'Тамбовский хлебокомбинат" при разработке и внедрении СУ технологической линией по производству хлебобулочных изделий (экономический эффект 130 тысяч рублей, 2001 - 2003 гг.).
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс Тамбовского госу-дарствешгого технического университета по курсу "Теория* автоматического управления", читаемого на кафедре "Информационные процессы и управление" факультета "Автоматизации химических производств" студентам специальности 21.02,00; а также по курсам "Военно-техническая подготовка" и "Стрельба и управление огнем наземной артиллерии", читаемого на кафедре "Артиллерии" факультета военного обучения студентам военно-учетных специальностей 030402, 030403, 030406.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на V и VI научно-технических конференциях ученых Ті ТУ (г. Тамбов, 2000, 2001 гг.); на II Всероссийской научной конференции в ТГУ им. Г.Р. Державина по проблемам математического моделирования (г. Тамбов, 2001 г,); на Международной конференции по компьютерным наукам и информационным технологиям в СГУ (г, Саратов, 2002 г,); на V Международной научно-
технической конференции по новым информационным технологиям и системам в ПГУ (г. Пенза, 2002 г.); на V Международной научной конференции по вопросам математического моделирования физических, экономических, технических и социальных систем и процессов в УлГУ (г. Ульяновск, 2003 г.); на IV Международной научной конференции по актуальным вопросам современной науки в СНЦ РАН (г. Самара, 2003 г.); на научных семинарах кафедры технической кибернетики ВВИЛ им. профессора Н.Е. Жуковского (г. Москва, 1993 -1996, 1998, 2000 - 2002 гг.) и кафедры информационных процессов и управления ТГТУ (г, Тамбов, 1998 - 2003 п\).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ, в их числе: монография издательства "Машиностроение"; препринт в "Вестнике Тамбовского ГТУ"; статьи в ведущих научных журналах и изданиях - "Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика", "Экологические системы и приборы", "Авиакосмическое приборостроение", "Автоматизация и современные технологии", "Информационные процессы и системы, НТИ"; "Промышленные АСУ и контроллеры", "Полет (авиация, ракетная техника и космонавтика)", "Контроль. Диагностика11, "Справочник. Инженерный журнал", "Вестник Тамбовского ГТУ" и других научных изданиях - "Известия АИН РФ", "Двойные технологии", "Вестник П У им. Г.Р. Державина", "Научно-методические материалы ВВИЛ им. проф. Н.Е. Жуковского; труды научно-практических конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Объем диссертации составляет 305 страниц, в том числе 45 рисунков и 11 таблиц. Список литературы включает 307 наименований. Приложения содержат 36 страниц, включая 3 рисунка и 6 таблиц.
Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, связанной с разработкой и исследованием СУ ТП со структурной неопределенностью. Изложены основные достижения, полученные в работе и их практическая ценность. Приведены краткое содержание работы и основные
12 результаты исследований, выносимые на защиту,
В первой главе дается критический анализ состояния вопросов построения СУ ТП; отхмечается потребность в развитии способов построения СУ ТП, которые должны работать при наличии структурной неопределенности; показана необходимость постановки и решения новых задач, обеспечивающих получение оптимальных вариантов структур моделей ТП и частей СУ с учетом изменения СФ; формулируются признаки рассматриваемого класса систем.
Во второй главе излагается концепция построения СУ со структурной неопределенностью; формулируется принцип формирования множества структур моделей ТП; разрабатываются метод и алгоритм решения задачи выбора оптимальной структуры модели ТП с учетом изменений по СФ; разрабатывается метод идентификации СФ ТП при нечеткой исходной информации,
В третьей главе обосновывается принцип формирования множества структур моделей наблюдения; разрабатываются метод и алгоритм выбора оптимального состава измерителей в структуре модели наблюдения; для предложенной концепции построения СУ приводятся обобщения линейной и нелинейной задач фильтрации, предполагающих учет меняющегося комплекса измерителей по СФ.
В четвертой главе отмечаются особенности назначения функционалов для синтеза управлений; демонстрируется принцип формирования множества структур функционалов; излагается принцип гладкой обновляемой перестановки, используемый при принятии решений о выборе функционала; разрабатываются метод и алгоритм выбора оптимальной структуры функционала для синтеза управления; приводятся обобщения методов принципа максимума и динамического программирования на случаи независимой оптимизации по СФ,
В пятой главе производится обращение изложенных в предыдущих главах теоретических положений в практическую плоскость рассмотрения посредством демонстрации решений всех задач концепции построения СУ ТП со структурной неопределенностью в аналитической форме на гипотетических примерах-
В шестой главе рассматривается применение разработанных методов и алгоритмов и полученных решений для процесса вулканизации при местном ремонте шин; исследуется поведение СУ процессом вулканизации, построенной на основе предложенного подхода; приводятся сравнительные результаты эффективности полученной СУ.
В седьмой главе осуществляется построение СУ для процесса воздухообмена в замкнутом производственном пространстве в соответствии с разработанными методами и алгоритмами структурной оптимизации; исследуется функционирование СУ процессом воздухообмена, созданной в соответствии с предложенной концепцией; проводится сравнительный анализ эффективности работы полученной СУ.
На защиту выппсятся:
концепция построения СУ ТП со структурной неопределенностью;
принцип формирования множества структур моделей ТП;
метод и алгоритм выбора оптимальной структуры модели состояния ТП;
метод идентификации СФ ТП;
принцип формирования множества структур моделей наблюдения;
метод и алгоритм выбора оптимального состава измерителей в структуре модели наблюдения;
принцип формирования множества структур функционалов для синтеза управления;
метод и алгоритм выбора оптимальной структуры функционала;
результаты исследования эффективности функционирования СУ процессами вулканизации при местном ремонте шин и воздухообмена в замкнутом производственном пространстве, построенных в соответствии с предложенной концепцией.
Работа выполнена на кафедре "Информационные процессы и управление" Тамбовского ГТУ.
Похожие диссертации на Принципы, методы и алгоритмы построения систем управления технологическими процессами со структурной неопределенностью
