Введение к работе
Диссертационная работа посвящена развитию и исследованию метода экспоненциальной модуляции для параметрической идентификации линейной части динамических объектов.
Актуальность работы
Идентификация является одним из важных этапов проектирования систем автоматического управления. Ее смысл заключается в выявлении основных свойств объекта с целью дальнейшего эффективного управления им.
На кафедре управления и информатики Национального исследовательского университета МЭИ в течение ряда лет проводятся работы по разработке и исследованию различных методов идентификации динамических объектов. Одним из них является метод экспоненциальной модуляции (МЭМ). Этот метод отличается высокой помехоустойчивостью и простотой реализации. Опыт применения МЭМ при идентификации реальных объектов свидетельствует о его надежности. Исследования метода, проведенные ранее, позволили выявить его преимущества перед другими методами интегрально-модуляционного класса по таким основным параметрам, как погрешности оценок и требуемый объем вычислительных ресурсов. Однако ряд аспектов применения метода еще не полностью исследован (например, обоснование выбора входного сигнала, обеспечивающего наилучшее качество идентификации, влияние дискретизации по времени, возможность использования метода в замкнутых системах автоматического управления).
МЭМ предназначен для идентификации линейных объектов. Однако, поскольку большинство реальных объектов являются нелинейными, актуальным является вопрос о границах применимости метода по отношению к нелинейным объектам.
Проведенные ранее исследования показали принципиальную возможность идентификации подобных объектов. Модель объекта рассматривалась, как последовательное соединение динамической линейной и статической нелинейной частей. На статической характеристике выбирался близкий к линейному рабочий участок и для него определялись оценки параметров динамической линейной части. Данный подход выявил одну существенную проблему: стремление линеаризовать статическую характеристику приводит к уменьшению рабочего участка. При этом возрастает отношение «шум-сигнал», что приводит к увеличению погрешностей оценивания.
Таким образом, среди источников погрешностей метода экспоненциальной модуляции можно выделить два основных - действие случайной помехи и искажение выходного сигнала из-за нелинейности статической характеристики объекта. Причем, изменение ширины рабочего участка увеличивает одну составляющую и уменьшает другую. Поэтому представляется важной задачей определение такого участка, который обеспечивал бы наименьшие общие погрешности оценок. Для решения этой задачи необходимо разработать некоторый критерий, который бы позволял пользователю выбрать рабочий участок лишь на основании снятой статической характеристики объекта.
Рассматриваемая модель делает возможным формирование функции, обратной к аппроксимирующей, т.е. осуществлять инверсию нелинейной характеристики с целью компенсации ее негативного влияния на оценки параметров. Однако в качестве аргумента обратной функции может использоваться только сигнал с выхода объекта. Этот сигнал является зашумленным, поэтому необходимо выяснить, к каким последствиям может привести преобразование сигнала помехи блоком инверсии, и на основании этого оценить целесообразность введения блока инверсии в тех или иных условиях.
Целью диссертационной работы является развитие и исследование метода экспоненциальной модуляции для параметрической идентификации динамических объектов в условиях случайных помех и с возможными нелинейными искажениями регистрируемого сигнала.
Задачи исследования
В соответствии с указанной целью в рамках диссертационной работы поставлены и решены следующие задачи.
-
Исследование вопросов выбора входного сигнала, влияния точки приложения шума в замкнутой системе, влияния дискретизации по времени при идентификации линейных объектов на статистические характеристики оценок параметров объекта.
-
Исследование возможности использования метода экспоненциальной модуляции для идентификации объектов с запаздыванием.
-
Разработка критерия, позволяющего сделать выбор рабочего участка нелинейной статической характеристики, обеспечивающего наилучшие оценки параметров линейной части объекта.
-
Разработка способа компенсации влияния нелинейной части объекта на результаты идентификации.
-
Разработка методики проведения эксперимента для идентификации нелинейных динамических объектов.
Научная новизна
-
Определено влияние входного сигнала, точки приложения шума в замкнутой системе, дискретизации регистрируемого сигнала по времени при идентификации линейных объектов на статистические характеристики оценок параметров объекта.
-
Разработан критерий, позволяющий сделать выбор рабочего участка нелинейной статической характеристики, обеспечивающего наилучшие оценки параметров линейной части объекта.
-
Разработан способ компенсации влияния нелинейной части объекта на результаты идентификации.
Практическая значимость
Основные теоретические результаты работы доведены до уровня их практического применения в виде методики проведения эксперимента для идентификации нелинейных динамических объектов. Разработанный программный комплекс позволяет исследовать зависимости статистических характеристик оценок параметров объекта при изменении различных факторов. Полученные в работе аналитические соотношения позволяют выбрать рабочий участок нелинейной статической характеристики объекта, обеспечивающий наилучшие оценки параметров линейной части.
Методы исследования
Для решения поставленных задач в работе используются методы, базирующиеся на теории автоматического управления, теории вероятностей, имитационном моделировании и численных методах.
Достоверность результатов
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются результатами имитационного моделирования и экспериментами, проведенными на реальных объектах.
Реализация результатов
Результаты диссертации были использованы для осуществления параметрической идентификации цифрового фильтра, входящего в состав сигнального аналогового тракта, в условиях действия помех и наличия нелинейности для электропроверки аналоговых плат из состава унифицированного блока модема систем спутниковой связи и при проведении работы «Методы диагностики объектов и систем сложной структуры с использованием параметров имитационных моделей», выполняемой совместно с НИИГБ им.Гельмгольца, поддерживаемой Российским фондом фундаментальных исследований» (проект 10-01-00049).
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на двух международных научно-технических конференциях «Информационные средства и технологии», трех международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», двух международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».
Публикации
По результатам диссертационного исследования опубликованы 10 научных работ, в том числе 3 публикации в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов ВАК РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной материал изложен на 169 страницах и включает 80 рисунков и 17 таблиц. Список литературы содержит 99 источников. Объем приложений составляет 37 страниц.
Похожие диссертации на Развитие и исследование метода экспоненциальной модуляции для параметрической идентификации линейной части динамических объектов
