Введение к работе
Актуальность работы. Во многих случаях объект управления представляет собой сложную динамическую систему. Это обусловлено наличием нескольких входов и выходов, взаимосвязью между отдельными координатами, а также высоким порядком дифференциальных уравнений, описывающих систему. Внутренняя структура многомерных объектов оказывает существенное влияние на проектирование и реализацию систем управления. Высокое качество управления такими объектами обеспечивается многосвязными системами, в частности автономно-инвариантными, учитывающими влияние перекрестных связей и внешних возмущений. Однако высокая размерность объектов значительно усложняет синтез систем управления данного класса, что обусловлено необходимостью выполнения значительного объема преобразований, связанных с параметрическим и структурным синтезом математической модели объекта, синтезом автономных компенсаторов перекрестных связей, инвариантных компенсаторов возмущений и эквивалентных объектов управления.
Значительное число работ (М.В. Мееров, В.Т. Морозовский, П.И. Чинаев, А.А. Воронов и др.) посвящено синтезу сложных систем, одним из ключевых и наиболее трудоемких этапов которого является расчет автономных и инвариантных компенсаторов, эквивалентных объектов управления.
В работах перечисленных авторов одним из основных теоретических результатов является полученное векторно-матричное выражение расчета передаточных функций (ПФ) автономных компенсаторов, как решение системы линейных уравнений. Для объектов размерности больше двух это приводит к необходимости выполнения значительного объема аналитических преобразований (обращение и перемножение матриц, перемножение полиномов, приведение подобных), к резкому увеличению числа и усложнению структуры ПФ. Это затрудняет или делает невозможным расчет вручную как автономных компенсаторов и всей системы в целом, так и разработку программного обеспечения, позволяющего автоматизировать процесс синтеза управляющей части системы.
Кроме того, несмотря на высокий уровень развития теоретических работ, современных технических и программных средств, не существует единого специализированного программного обеспечения, позволяющего автоматизировать большинство этапов синтеза (обеспечивая непрерывность расчета от начала и до конца в рамках одного прикладного программного обеспечения), моделирования и реализации многосвязных цифровых систем управления.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка методики, алгоритмов и программных средств для обеспечения автоматизированного синтеза, моделирования и реализации управляющей
4 части автономно-инвариантной цифровой системы регулирования высокой размерности.
Для достижения поставленной цели был сформулирован и решен ряд задач исследования:
-
разработка подхода к расчету выходов элементов автономно-инвариантных цифровых систем управления (автономных и инвариантных компенсаторов, эквивалентных объектов), включающего способ автоматизированного формирования структуры ПФ и методику численного расчета значений выходов;
-
разработка алгоритма моделирования и реализации элементов управляющей части и автономно-инвариантных цифровых систем в целом на основе предложенной методики;
-
разработка прикладного программного обеспечения синтеза, моделирования и реализации многосвязных цифровых систем управления на основе предложенных подхода, методики и алгоритмов;
4) исследование работоспособности, достоверности и точности вычисле
ний предложенной методики, алгоритмического и программного обеспе
чения.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы применялись системный анализ, теория автоматического управления аналоговых и цифровых систем, методы математического моделирования, структурного синтеза и идентификации. Общей методологической основой является системный подход.
Научная новизна.
-
Предложенный на основе системного анализа подход к расчету выходов элементов управляющей части многосвязных цифровых систем управления, заключающийся в представлении их в виде последовательно-параллельного соединения элементарных звеньев, отличающийся отсутствием необходимости получения в явном виде ПФ компенсаторов и выполнения связанных с этим аналитических преобразований, обеспечивающий высокую точность и быстродействие расчета управляющей части системы.
-
Алгоритм формирования структуры ПФ автономных и инвариантных компенсаторов, обеспечивающий их автоматизированный синтез для систем произвольной размерности
-
Методика расчета выхода автономного компенсатора, исключающая этап получения ПФ в явном виде и обеспечивающая высокую точность численных результатов.
-
Алгоритмы автоматизированного расчета и моделирования автономных и инвариантных компенсаторов, эквивалентных объектов управления, основных регуляторов, многосвязной цифровой системы управления в целом.
-
Математическое и алгоритмическое обеспечение автоматизированного выполнения всех этапов синтеза модели многомерного объекта управления.
-
Комплекс проблемно-ориентированного прикладного программного обеспечения расчета, моделирования и реализации автономно-инвариантных цифровых систем управления высокой размерности.
Практическая значимость. Создан пакет прикладных программ, позволяющий осуществить: синтез математической модели многомерного объекта; синтез автономных и инвариантных компенсаторов для систем произвольной размерности и произвольных порядков моделей каналов объекта управления; оптимизацию основных регуляторов на основе расчета эквивалентных объектов управления; расчет управляющей части автономно-инвариантных цифровых систем управления, обеспечивающих более высокое качество управления по сравнению с несвязными системами.
Разработанные методика, алгоритмы и программное обеспечение прошли апробацию при выполнении ряда этапов при проектировании АСУ технологическими процессами на ООО «Нефтехимпроект КНГ» г. Воронеж (акт внедрения от 25.03.2013).
Апробация работы. Основные результаты по теме диссертационной работы доложены на международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-23, 24, 25, 26», в 2010-2013 годах (г. Саратов), «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности» в 2009 (г. Воронеж), «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности» в 2009 году (г. Воронеж), «Проблемы и инновационные решения в химической технологии» в 2010 году (г. Воронеж), «Современные проблемы прикладной математики, теории управления и математического моделирования (ПМТУММ-2011)» в 2011 году (г. Воронеж).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 33 печатных работы, в том числе 11 статей (из них 3 статьи в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК РФ при защите кандидатских и докторских диссертаций) и 6 свидетельств о регистрации программ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка и приложения. Материал изложен на 151 странице, содержит 71 рисунок и 21 таблицу. Библиографический список включает 154 наименования.
