Содержание к диссертации
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ... 12
1.1 Обзор существующих информационно-управляющих систем
и средств их разработки 12
1.2 Обзор моделей представления знаний
в информационно-управляющих системах 18
Анализ литературных источников по оптимальному управлению сушильными установками 22
Анализ и классификация возмущений
при работе сушильных установок 25
1.5 Модели временных рядов для прогнозирования
случайных величин , 27
Оптимальная фильтрация случайных сигналов 29
Формулировка цели и задач исследования 34
2 ФОРМАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО
УПРАВЛЕНИЯ МНОГОСЕКЦИОННОЙ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ...35
Описание объекта управления 35
Идентификация модели динамики объекта 39
Математическая модель сушильной установки
на множестве состояний функционирования 45
2.4 Математическая постановка задачи
ресурсосберегающего управления сушильной установкой 49
Выводы по второй главе. 53
3 АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-
УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ 54
3.1 Расширенный анализ оптимального управления динамическими
режимами многосекционных сушильных установок 54
3.2 Синтез алгоритмов ресурсосберегающего управления 62
3.2.1 Алгоритмы оптимального управления
с программной и позиционной стратегиями 63
Алгоритм оптимального управления с фильтром Калмана 65
Алгоритм оптимального управления
с прогнозирующей моделью 72
3.2.4 Алгоритм оптимального управления с нечеткой логикой 76
Выводы по третьей главе 80
4 РЕАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ
ДИНАМИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ В МНОГОСЕКЦИОННЫХ
СУШИЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ 81
4.1 Проектирование программного обеспечения ИУС 81
Структурная схема и основные модули системы 82
Функциональная модель 84
Информационная модель базы данных 86
Фреймовая база знаний 88
Программные модули 93
Техническое обеспечение ИУС 98
Практическое применение ИУС для управления
динамическими режимами С.ВЛ 101
Выводы по четвертой главе 3 05
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 107
ПРИЛОЖЕНИЕ А Таблицы экспериментальных данных
и результатов решения задач анализа и синтеза ОУ 123
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Тексты основных программных модулей ИУС 131
ПРИЛОЖЕНИЕ В Акты внедрения и свидетельства
об официальной регистрации программ для ЭВМ 142
4 ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ft - множество состояний функционирования СВЛ; Mj - модель динамики /-й секции;
М - общая модель динамики СВЛ;
S, j6, С, Ю - матрицы параметров обобщенной модели объекта;
Z - вектор фазовых координат;
~ вектор выходных переменных;
НА - вектор управляющих воздействий;
W, У - векторы шумов в каналах управления и измерения;
Zw, Sv. - векторы интенсивностей шумов в каналах управления и измерения;
, (Я - векторы возмущающих воздействий со стороны соседних секций;
Z , Zк - начальное и конечное значения вектора Z; (UH/MR - границы изменения U;
J - минимизируемый функционал;
h - переменная состояния функционирования;
a.\,a2,b,c,d - параметры модели объекта;
/ - номер секции;
j ~ номер стадии;
к - номер шага в дискретной модели;
г/, // - возмущающие воздействия со стороны соседних секций СВЛ ДЛЯ /-Й
секции 7-й стадии;
тї - количество стадий модели для /-й секции;
п - количество секций СВЛ;
р - номер состояния функционирования;
q ~ параметр измерения;
s - синтезирующая функция управления;
5 t - время; \t0,tK]~ временной интервал управления;
uj - управляющее воздействие для г'-й секции у'-й стадии; w,v- шумы в каналах управления и измерения; у - выходная переменная;
z/ - фазовая координата для /-Й секции у'-й стадии;
gw,(jv - интенсивности шумов в каналах управления и измерения;
Aj, В/, С/, D{ - матрицы параметров модели для для г'-й секции /-й стадии;
УІ, R - массивы исходных данных ЗОУ;
8t - временной шаг дискретизации;
у/ - возмущающее воздействие;
L[;L2 - синтезирующие переменные;
а{),Щ,а2,Ьи,Ьц,,Ь0,д - параметры модели динамики в нормированной задаче;
є - матричная экспонента;
F, G - параметры дискретной модели;
Кк - коэффициент усиления фильтра Калмана;
Рк - дисперсии ошибок фильтрации;
N - число шагов управления;
Z, U,T,lF -нормированные z,u,t,y/\
СВЛ - сушильная установка вальце-ленточного типа;
ДА - двойное апериодическое звено;
А - апериодическое звено;
РДИ - реальный двойной интегратор;
ДИ - двойной интегратор;
МСФ - множество состояний функционирования;
ОУ - оптимальное управление;
ЗОУ - задача оптимального управления;
ИУС - информационно-управляющая система.
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одной из основных задач современной промышленности является снижение энерго-ресурсопотребления технологическими установками с целью уменьшения себестоимости и повышения конкурентоспособности выпускаемой продукции. Одним из направлений ресурсосбережения является внедрение информационно-управляющих систем энергоемкими объектами. Примерами таких объектов являются тепловые аппараты, в частности, многосекционные сушильные установки.
Процессы сушки играют существенную роль в промышленном производстве как по энергопотреблению, так и по влиянию на качество выпускаемой продукции. Основными особенностями многосекционных сушильных установок как объектов управления являются; большие затраты энергоресурсов, высокие требования к поддержанию температурных режимов, необходимость учета взаимного влияния секций друг на друга, наличие шумов в каналах управления и измерения, а также изменения основных режимных параметров объекта управления в процессе реальной эксплуатации. Для учета этих особенностей информационно-управляющая система (ИУС) должна реализовывать алгоритмы, позволяющие идентифицировать текущее состояние функционирования объекта и оперативно реагировать на изменения основных параметров процесса. Поэтому при разработке математического и алгоритмического обеспечения ИУС широко применяются алгоритмы адаптивного, робастного управления, а также методы искусственного интеллекта.
Теоретические вопросы анализа и синтеза ресурсосберегающего управления динамическими режимами сушильных аппаратов при наличии шумов и жестких ограничений на качество выпускаемой продукции в настоящий момент исследованы недостаточно. Поэтому разработка моделей, методов и алгоритмов для ИУС, решающих в реальном времени задачи оптимального управления (ЗОУ) с учетом случайных возмущений и смены со-
7 стояния функционирования объекта в процессе реальной эксплуатации, является своевременной и актуальной задачей.
Цель научного исследования заключается в разработке информационно-управляющей системы, обеспечивающей решение задач минимизации затрат энергоресурсов в динамических режимах с учетом ограничений на качество выпускаемой продукции и шумов в каналах управления и измерения.
Для достижения цели работы сформулированы и решены следующие задачи:
создана математическая модель динамики многосекционной сушильной установки на множестве состояний функционирования, учитывающая возмущающие воздействия со стороны соседних секций и пригодная для оперативного решения задач анализа и синтеза ресурсосберегающего управления в реальном времени;
решены задачи анализа и синтеза ресурсосберегающего управления динамическими режимами многозонных объектов при наличии шумов в каналах управления и измерения;
разработана концепция и алгоритм расширенного анализа оптимального управления при наличии возмущающих воздействий;
созданы процедуры оперативного синтеза управляющих воздействий для различных состояний функционирования сушильной установки;
разработаны фреймовая модель базы знаний, информационная модель реляционной базы данных и функциональная модель информационно-управляющей системы динамическими режимами;
создана и внедрена информационно-управляющая система динамическими режимами в многосекционных сушильных установках вальце-ленточного типа, минимизирующая затраты энергоресурсов в динамических режимах и обеспечивающая требуемое качество выпускаемой продукции.
Объект исследования. Информационно-управляющая система динамическими режимами многосекционных сушильных установок.
8 Предметом исследования является математическое, алгоритмическое и программное обеспечение информационно-управляющих систем динамическими режимами сложных объектов.
Методы исследований. В работе использованы методы проектирования и разработки ИУС с использованием CASE и СALS-технологий, структурного анализа (SADT), функционального (1DEF/0) и информационного (IDEFlx) моделирования, объектно-ориентированного и визуального программирования, визуального моделирования информационных систем (UML), математического и имитационного моделирования сложных объектов и систем, анализа и синтеза оптимального управления (ОУ) на множестве состояний функционирования (МСФ), оптимальной фильтрации, нечеткой логики.
Научная новизна работы.
Получена математическая модель динамики многосекционной сушильной установки на множестве состояний функционирования, учитывающая возмущающие воздействия со стороны соседних секций и пригодная для оперативного решения задач анализа и синтеза ресурсосберегающего управления в реальном времени.
Предложена концепция и разработаны алгоритмы расширенного анализа и оперативного синтеза ресурсосберегающего управления динамическими режимами многозонных объектов на множестве состояний функционирования при наличии шумов в каналах управления и измерения.
Созданы функциональная, фреймовая и информационная модели информационно-управляющей системы динамическими режимами в многосекционных сушильных установках.
Практическая значимость. Созданы программные модули анализа и синтеза ресурсосберегающего управления сложными объектами при наличии шумов в каналах управления и измерения. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение информационно-управляющей системы динамическими режимами сушильных установок вальце-ленточного типа. Использо-
9 вание разработанных алгоритмов в ИУС позволяет снижать затраты энергоресурсов на 5-Ю % без ухудшения качества выпускаемой продукции.
Реализация работы. Разработанная информационно-управляющая система внедрена на ОАО «Пигмент» для управления динамическими режимами процесса сушки красителей, входящих в состав типографской краски. Материалы исследований используются в учебном процессе кафедры «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем» Тамбовского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на следующих конференциях: Первой Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика (ЭТиП-1)» (Москва, МЭИ, 2002 г.); XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-15» (Тамбов, ТГТУ, 2002 г.); Г, II Российских научно-практических конференциях «Актуальные проблемы информатики и информационных технологий» (Тамбов, ТГУ им. Г.Р, Державина, 2002, 2003 гг.); VII, VIII научных конференциях ТГТУ (Тамбов, ТГТУ, 2002, 2003 гг.); Международной конференции «Общие проблемы управления и их приложения. Проблемы преподавания математики (ОПУ-2003)» (Тамбов, ТГУ им. Г.Р. Державина, 2003 г.); Общероссийской школе-семинаре молодых ученых «Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции» (Тамбов, ТГТУ, 2003 г.); IV Международном конгрессе «Машиностроительные технологии'04» (Болгария, Варна, 2004 г.); Международной научно-технической конференции «Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов» (Минск, БГТУ, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 122 страницах, содержит 22 рисунка и 14 таблиц. Библиографический список литературы включает 178 наименований.
Во введении показана актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечена научная новизна, практическая значимость и достоверность полученных результатов, приведены положения, выдвигаемые на защиту. Дана аннотация работы по главам.
В первой главе «Обзор литературы и постановка задачи исследования» рассмотрены существующие информационно-управляющие системы энергоемкими объектами и средства их разработки. Приведены модели представления знаний в ЙУС. Показаны современные методы решения задач оптимального управления с позиций детерминированного и стохастического подходов. Приведен анализ и классификация возмущений, влияющих на работу промышленных объектов, в частности, сушильных установок. Описаны методы прогнозирования и оптимальной фильтрации случайных сигналов. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе «Формализация задачи ресурсосберегающего управления многосекционной сушильной установкой» приведено описание объекта управления, сформулирована постановка задачи ресурсосберегающего управления динамическими режимами многосекционных сушильных установок при наличии шумов в каналах управления и измерения, рассмотрены вопросы идентификации модели динамики многозонного объекта на множестве состояний функционирования.
В третьей главе «Алгоритмическое обеспечение информационно-управляющей системы» предложена концепция расширенного анализа ОУ при наличии шумов в каналах управления и измерения. Рассмотрены алгоритмы оперативного синтеза оптимальных управляющих воздействий для решения ЗОУнаМСФ.
В четвертой главе «Реализация информационно-управляющей системы динамическими режимами в многосекционных сушильных установках» рассмотрены вопросы проектирования программного обеспечения информационно-управляющей системы. Приведены функциональная модель ИУС, фреймовая модель базы знаний и реляционная модель базы данных, а
также состав технического обеспечения ИУС. Рассмотрено применение информационно-управляющей системы для управления динамическими режимами пятисекционной СВЛ.
В заключении приведены основные выводы и результаты работы.
В приложения вынесены таблицы экспериментальных данных и результатов решения задач анализа и синтеза ОУ, тексты основных программных модулей ИУС, акты внедрения и авторские свидетельства на программы для ЭВМ.
Положения выносимые на защиту:
математическая модель динамики многосекционной сушильной установки на множестве состояний функционирования, учитывающая возмущающие воздействия со стороны соседних секций и пригодная для оперативного решения задач анализа и синтеза ресурсосберегающего управления в реальном времени;
алгоритм расширенного анализа оптимального управления для объекта второго порядка при наличии шумов в каналах управления и измерения;
процедуры оперативного синтеза управляющих воздействий для различных состояний функционирования объекта, реализующие алгоритмы оптимального управления с фильтром Калмана, прогнозирующей моделью и нечеткой логикой;
функциональная, фреймовая, информационная модели информационно-управляющей системы динамическими режимами в сушильных установках.
