Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке продукционного метода описания автоматических регуляторов и способов его применения в задачах анализа и оптимального синтеза непрерывно-дискретных систем управления широким кругом технических объектов.
Актуальность проблемы
Одним из важных направлений современного развития теории управления является исследование гибридных непрерывно-дискретных систем управления (ГНДСУ). В таких системах компоненты с непрерывными сигналами отражают физические законы, технологические или технические принципы, которым подчинено функционирование объектов управления, а дискретные элементы моделируют работу цифровых управляющих устройств. К гибридным относится широкий круг управляемых объектов, охватывающий как традиционные, так и новейшие технологии в самых различных областях техники. Практическая реализация таких технологий с требуемыми качественными показателями невозможна без построения соответствующих алгоритмов автоматического управления, что и явилось главным стимулом к созданию теории и методов управления ГНДСУ.
Различные классы гибридных систем изучались в работах Емельянова СВ., Уткина В.И. (системы с переменной структурой), Васильева С.Н., Федосова Е.А., Бортаковского А. С. (логико-динамические системы), Куржанского А.Б., Цыпкина Я.З., Li Z., Silva G.N., Soh Y., Vinter R.V., Wen С (импульсные системы), Аграчева А.А., Савкина А.В., Antsaklis Р J., Brockett R.W., Evans R.J, Hedlund S., Liberzon D., Rantzer A., Rischel H. (переключательные системы), Hespanha J.P., Johansson K.H., Lygeros J., Sastry S.S., Tomlin CJ. (автономные и неавтономные гибридные системы), Осипова Г.С (динамические интеллектуальные системы).
Задачи управления применительно к гибридным системам оказываются качественно более сложными по сравнению с аналогичными задачами управления непрерывными или дискретными системами ввиду целого ряда принципиальных особенностей этих систем, связанных с наличием в них существенным образом взаимодействующих непрерывных и дискретных подсистем, сочетанием непрерывной динамики управляемых процессов с дискретными процедурами получения информации о параметрах объекта, вычисления по этим данным управляющих воздействий и передачи их на исполнительные устройства. К такого рода особенностям прежде всего относятся:
влияние определяющего характера эффекта квантования сигналов по времени и по уровню на качественные показатели ГНДСУ;
влияние и возможности использования в качестве управляющих воздействий целого комплекса сильнодействующих специфических возмущающих факторов, таких, в частности, как случайные временные задержки и частичные потери информации при передаче управляющих воздействий;
необходимость учета комплекса шумовых составляющих сигналов в замкнутом контуре системы;
существенное (часто определяющее) влияние характеристик и свойств информационных каналов и сетевых связей на формирование управляющих алгоритмов;
возможности автоматического формирования и видоизменения в режиме реального времени алгоритмов управления на основе получаемой в процессе функционирования ГНДСУ рабочей информации о поведении системы и вытекающих отсюда требований к разработке вычислительных процедур, обеспечивающих реализацию этих алгоритмов с требуемой динамикой;
необходимость учета ограничений со стороны аппаратных средств.
Указанные задачи непосредственно относятся к сформулированной в Программе фундаментальных научных исследований Российской академии наук центральной проблеме создания единой теории управления, вычислений и сетевых связей, разработки методов автоматического синтеза алгоритмов управления с одновременными их верификацией и валидацией на базе технических устройств, самостоятельно генерирующих свое программное обеспечение.
Решение этого круга задач традиционными методами, базирующимися на аналитическом конструировании автоматических регуляторов, связано с серьезными затруднениями в виду отмеченной выше необходимости одновременного учета целого ряда разнообразных факторов определяющего характера для базовых технических приложений, практически не позволяющих сформулировать в замкнутой аналитической форме алгоритмы функционирования ГНДСУ с требуемыми показателями эффективности.
Многие из указанных проблем могут быть в основном решены путем разработки новых эффективных методов анализа и синтеза цифровых регуляторов ГНДСУ, базирующихся на специальных численных способах автоматической организации требуемых, априори не фиксируемых и переменных во времени алгоритмов управления. Подобные методы должны обеспечивать построение в темпе с управляемым процессом непосредственно на цифровом регуляторе реализующих эти алгоритмы вычислительных процедур, формируемых по сигналам обратных связей, с учетом особенностей, обусловленных цифровым характером устройств управления и сетевым способом обмена информацией между ними.
На этом пути возникает ряд представляющих самостоятельный теоретический и практический интерес задач по разработке новых способов синтеза оптимальных по принятым критериям эффективности алгоритмов и программ работы цифровых устройств управления для ГНДСУ в условиях учета целого комплекса разнообразных возмущающих воздействий и ресурсных ограничений, характерных для цифровых и сетевых систем управления.
В настоящей диссертационной работе предлагается один из возможных конструктивных подходов к указанному кругу задач построения регуляторов в ГНДСУ специальными численными методами.
Диссертация посвящена разработке, теоретическому обоснованию и практическому применению продукционного метода описания регуляторов в задачах анализа и оптимального синтеза систем управления гибридными системами, базирующегося на предлагаемой математической модели системы цифрового управления непрерывным объектом, динамическая часть которой, моделирующая функционирование объекта управления, описывается дифффенциальными уравнениями, а дискретная часть, моделирующая работу устройства управления, - специальным численным алгоритмом его работы в виде системы продукций (набора правил вида «условие-действие»), структура и содержание которой автоматически формируются в процессе поиска оптимальных решений.
Целью диссертационной работы является разработка основ теории и техники применения продукционного метода описания регуляторов в задачах анализа и синтеза систем управления. Для достижения указанной цели в диссертации поставлены следующие основные научные задачи:
разработка имитационной модели гибридной непрфывно-дискретной системы управления (ГНДСУ) с продукционной формой представления алгоритма функционирования цифрового регулятора;
разработка и исследование методов, вычислительных алгоритмов и программных средств анализа влияния на качество работы ГНДСУ возмущающих факторов и эффектов квантования сигналов по времени и по уровню;
разработка численно-аналитического метода оптимального синтеза продукционной формы описания регулятора, базирующегося на совместном использовании достаточных условий оптимальности и процедуры конечномерной оптимизации;
разработка эволюционного метода решения задач оптимального синтеза системы продукций регулятора ГНДСУ для широкого класса объектов в постановке, адекватной реальным требованиям промышленных технологий;
разработка метода оптимального синтеза системы продукций регулятора ГНДСУ для задач управления с нечеткими целями и ограничениями;
апробирование продукционного метода построения регуляторов в ГНДСУ на примерах исследования широкого круга технических систем управления.
Научная значимость работы определяется тем, что она
предлагает новые эффективные численные методы построения самостоятельно генерирующих свое прикладное программное обеспечение цифровых регуляторов в ГНДСУ, которые автоматически формируют и при необходимости видоизменяют по сигналам обратных связей управляющие алгоритмы в процессе поиска оптимальных решений;
устанавливает новые, отличающиеся от известных схем аналитического конструирования способы качественного и количественного описания, исследования и синтеза алгоритмов оптимизации ГНДСУ;
предлагает конструктивные методы детализации выявленных закономерностей общего характера применительно к целому ряду прикладных задач, представляющих самостоятельный интерес.
Научная новизна работы определяется следующими основными научными результатами, полученными в указанном направлении:
созданы основы теории и техники применения продукционного метода синтеза алгоритмов функционирования регуляторов цифровых систем управления в форме совокупности правил вида «условие-действие», не требующего аналитического описания законов регулирования и отличающегося от известных автоматическим формированием правил в процессе поиска оптимальных решений и совместным моделированием процессов управления, вычислений и сетевых связей, чем обеспечивается решение важной проблемы унификации моделей ГНДСУ, гибкости моделирования за счет выбора степени детализации и совместного исследования комплексной задачи оптимального построения системы управления, вычислительных процедур и информационных каналов;
разработана имитационная модель гибридной системы цифрового управления непрерывным объектом, отличающаяся от известных продукционным алгоритмом функционирования регулятора, представленным в явной форме автоматически формируемых специализированных вычислительных операций, за счет чего обеспечивается учет принципиальных особенностей, обусловленных цифровым характером устройств управления и сетевым способом обмена информацией между ними;
на этой базе предложены не имеющие известных аналогов методы решения нового класса актуальных задач структурного и параметрического синтеза систем управления, отличающиеся существенным расширением ресурсов алгоритма управления путем
формирования структуры и содержания продукционных правил функционирования регулятора в процессе поиска оптимальных решений;
разработана не имеющая аналогов численно-аналитическая процедура синтеза алгоритма работы регулятора, основанная на совместном использовании методов конечномерной оптимизации для определения структуры продукционных правил и аналитических условий оптимальности процесса управления с полной обратной связью для определения содержания системы продукций;
разработан эволюционный метод прямого синтеза совокупности правил вида «условие-действие» работы регуляторов непрфывно-дискретных систем, который, в отличие от известных, гарантирует реализуемость синтезированных законов управления на заданной цифровой платформе;
разработан метод синтеза совокупности правил работы регуляторов вида «условие-действие», обеспечивающий, в отличие от известных, максимальную по заданному критерию эффективности степень удовлетворения нечетко сформулированным целям и ограничениям;
предложен метод анализа работы ГНДСУ, позволяющий обеспечить в задачах анализа учет ресурсных ограничений, характерных для цифровых и сетевых систем управления, производить верификацию и валидацию алгоритма и программы работы цифрового регулятора.
Достоверность утверждений, представленных в диссертационной работе, подтверждена корректным применением современного аппарата математического анализа и теории управления. Справедливость выводов относительно адекватности используемых математических моделей, достоверности, работоспособности и эффективности предложенных алгоритмов управления подтверждена результатами математического моделирования и промышленными экспериментами. Диссертация содержит примеры, подтверждающие представленные теоретические результаты, а также численное решение ряда задач, полностью отвечающее физическим представлениям об исследуемых процессах.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее теоретические результаты могут служить основой для разработки численных методов и программно-алгоритмического обеспечения для решения прикладных задач синтеза гибридных систем автоматического управления ответственными техническими объектами.
Предложенные в диссертации инженерные методики и способы организации вычислительных процедур распространяют предлагаемый метод решения задач оптимизации ГНДСУ на ряд актуальных задач оптимального управления процессами технологической теплофизики и робототехники, представляющих самостоятельный интерес. Разработанное специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение, на базе которого созданы пакеты прикладных программ для подсистемы автоматизированного расчета оптимальных алгоритмов управления, может быть непосредственно использовано для решения конкретных задач оптимизации технологических объектов.
Применение разработанных методов и алгоритмов оптимального управления к решению практических задач обеспечивает существенные технико-экономические преимущества перед типовыми технологиями и известными методами оптимизации ГНДСУ по всем основным качественным показателям оптимизируемых процессов. При этом по сравнению с существующими типовыми алгоритмами управления достигается выигрыш по времени, и, как следствие, увеличение производительности труда до 15-25%; повышение в 1.5-2 раза точности достижения требуемых кондиций конечной продукции; снижение брака и материальных потерь на 5-15%.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
продукционный метод формирования алгоритмов функционирования цифровых регуляторов гибридных непрерьшно-дискретных систем управления;
-
имитационная модель гибридной непрерывно-дискретной системы управления с продукционным алгоритмом функционирования цифрового регулятора;
-
методы решения задач структурно-параметрического синтеза ГНДСУ с определением структуры и содержания продукционных правил функционирования цифрового регулятора в процессе поиска оптимальных решений;
-
методы, вычислительные алгоритмы и программные средства анализа влияния на качество работы ГНДСУ возмущающих факторов и эффектов квантования сигналов по времени и по уровню;
-
эволюционный метод решения задач оптимального синтеза системы продукций регулятора ГНДСУ и вычислительные алгоритмы его реализации для широкого класса объектов в постановке, адекватной реальным требованиям промышленных технологий;
-
метод оптимального синтеза продукционной формы описания регулятора, базирующийся на совместном использовании аналитических условий оптимальности и процедуры конечномерной оптимизации;
-
метод оптимального синтеза системы продукций регулятора ГНДСУ для задач управления с нечеткими целями и ограничениями;
-
результаты анализа и реализации алгоритмов управления.
Методы исследования. В диссертационной работе использовались методы, основанные на системном подходе к решаемой проблеме, в том числе методы теории автоматического управления, математического анализа, математического моделирования, теории оптимального управления, нечеткой логики и эволюционных вычислений.
Реализация и внедрение результатов работы.
Теоретические и прикладные результаты диссертационной работы использованы:
при разработке и внедрении системы пространственно-временного управления процессом индукционного нагрева под пайку;
при разработке и внедрении системы автоматического контроля систем пассивной безопасности в автомобилях;
при разработке и внедрении системы автоматического управления технологическим процессом производства кабелей связи;
при выполнении работы «Теория, вычислительные алгоритмы и технические приложения точных методов решения краевых задач оптимального управления системами с распределенными параметрами в условиях чебышевских оценок целевых множеств» в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы», проект № 2.1.2/4236,2009-2010 г.г.;
при выполнении работы «Создание энергосберегающих систем потребления электроэнергии мощными промышленными установками для индукционного нагрева металлов перед обработкой давлением» в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», госконтракт № П321,2009-2011 г.г.;
в фундаментальных НИР, выполняемых в СамГТУ по заказу Минобрнауки: «Теория и приложения точных методов синтеза алгоритмов оптимизации объектов с распределенными параметрами, гарантирующих заданные показатели качества», 2009-2010 гг., «Теория и приложения аналитических методов синтеза агрегированных систем управления техническими объектами с распределенными параметрами», 2011 г., «Теория построения и
методы реализации стратегии программного и позиционного управления техническими объектами с распределенными параметрами», 2012-2014 г.г.;
при выполнении НИР по грантам РФФИ 08-08-00383-а «Разработка основ теории и методов реализации систем оптимального управления объектами с распределенными параметрами в многоопфационных технологических процессах производства электрических кабелей связи», 08-08-01040-а «Разработка теоретических основ и вычислительных методов поиска стратегии аритмического (непериодического) управления в компьютерных системах управления», 11-08-01171-а «Разработка основ теории и методов реализации энергосбфегающих систем оптимального управления технологическими процессами изолирования проводных кабелей связи» и 13-08-00676-а «Разработка теоретических основ и вычислительных методов императивного способа представления регуляторов в задачах анализа и синтеза цифровых систем управления».
Теоретические положения, модели и методы анализа и синтеза продукционной формы задания регуляторов и устройств управления на их основе используются в учебно-научной деятельности ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий по дисциплинам учебного плана подготовки бакалавров по направлениям 220100 «Системный анализ и управление» и 220400 «Управление в технических системах» и подготовки магистров техники и технологии по направлению 220400 «Управление в технических системах», при выполнении курсовых и дипломных проектов, при подготовке аспирантов.
Апробация результатов работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на многих научно-технических семинарах и конференциях, в том числе V Всесоюзной научно-технической конффенции «Автоматизация новейших электротехнологических процессов в машиностроении на основе применения полупроводниковых преобразователей частоты с целью экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов», г. Уфа (1984); Всесоюзной научно-технической конференции «Применение преобразовательной техники в электроэнергетике, электроприводах и электротехнологических установках», г. Тольятти (1984); VII Всесоюзном научно-техническом совещании по электротермии и электротфмическому оборудованию, г. Чебоксары (1985); VH, УШ и ХП межвузовских научных конференциях «Математическое моделирование и краевые задачи», г. Самара (1997, 1998, 2002); П, Ш и IV Всероссийских научных конффенпиях «Проектирование инженерных и научных приложений в феде MATLAB», г. Москва (2004), г. Санкт-Петербург (2007), г. Астрахань (2009); VII и ГХ Международных симпозиумах "Интеллектуальные системы", г. Саратов (2004,2006); V Международной научно-технической конффенции «Физика и техника приложений волновых процессов», г. Самара (2006); X и XI Международных конференцях «Проблемы управления и моделирования в сложных системах», г. Самара (2008,2009); Международной конффенции ММТТ-21, г. Саратов (2008); Международной научной конффенции «Проблемы управления, обработки и передачи информации (АТМ-ТКИ-50)», г. Саратов (2009); Международной научно-технической конффенции «Информационные, измфительные и управляющие системы (ИИУС-2010)» г. Самара, (2010); П Международной научно-практической конффенции «Робототехника как образовательная технология», г. Железногорск (2010); X Международной Четаевской конффенции «Аналитическая механика, устойчивость и управление», г. Казань (2012). Полностью работа была представлена на пленарном заседании V Международной
конффенпии «Проектирование инженерных и научных приложений в феде MATLAB», г. Харьков, Украина (2011).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы полностью отражено в 47 научных и научно-технической работах автора, в том числе в 2 монографиях, 20 статьях в научных изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ, 13 авторских свидетельствах, 1 патенте, 11 работах в прочих журналах, сборниках научных трудов, матфиалах Всфоссийских и Международных конффенпии.
Структура и объем работы. Диссфтапионная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы. Работа содфжит 156 рисунков, 3 таблицы. Список использованной литературы включает 97 наименований. Объем работы составляет 246 страниц.
