Введение к работе
Актуальность проблемы, Проблема синтеза стратегии оптимального управления непрерывными технологическими процессами относится к числу актуальных и чрезвычайно сложных задач теории управления. Актуальность этой проблемы объясняется естественным стремлением повысить эффективность промышленного производства путем рационального расходования имеющихся ресурсов (сырья, материалов, энергоресурсов), повышения качества и надежности выпускаемой продукции, а также увеличения производительности труда. Наиболее перспективное и активно сейчас развиваемое направление связано с разработкой новых и совершенствованием существующих методоз управления технологическими процессами п услочи?* сут^сет^іяой гярпоркеЛ неопределенности (ад&пивные методы, методи робастного управления). Недостаточная теоретическая изученность технологических процессов, их стохастичность, нестационарность параметров превращают задачу разработки методов управления ими в сложную научно-практическую проблему. В её решение существенный вклад внесен B.C. Пугачёвым, Н.С. Райбманом; В.М. Чадеевым, В.А. Лотоцким, Ф.Ф. Пащенко, И.Б. Ядыкиным, В.Н. Фоминым, А.Л. Фрадковым. С именами этих авторов связана, в основном, разработка проблем адаптивной идентификации и управления. Вопросы управления в условиях вариации параметров получила развитие в работа?» Д.В. Свечарника, Б.Г. Доступова, В.В. Здора, О.В. Абрамова, Г.В. Гореловой. Большой вклад в разработку и развитие методов идентификации внесли В. Камннскас, А. Немура, И.И. Перель-мзн, В.П. Живоглялол, AJf. Рубан, Л.З. Цыпкнн. Д;к. А.Ф. Себер, Б.'Г, Поляк, В.П. Бородюк, Э.К. Лецкніі, Н. Дрейпер, Г. Смит, С.Л. Аі'гоазян, П. Энкхофф, Д. Химмсльблау. Недостаточная теоретическая изученность технологических процессов объясняет аппроксимативный характер математических моделей, которые используются для нахо:кденкя управляюнщх воздействий. Построение этих моделей основано обычно па ряде постулатов, выполнясмость которых проверить на практике сложно, если не невозможно. Спроектированные как оптимальные, тех-нолопгчестяге процессы фактически таковыми.-не являются: параметры объекта, и системы управления колеблются около найденных "оптимальных" значений, задания регуляторами выполняются неточно, 6 силу вероятностных свойств объекта требуемое значение критерия достигается лишь с некоторой вероятностью. Отсюда следует настоятельная необходимость разработки и развития новых, робзетных ("грубых") методов управления, которые обеспечивали бы нечувствительность выходных показателей процесса по отношению к случайным воздействиям, неконтролируемым, но объективна имеющим место отклонениям переменных от номинальных значений, предпосылкам, используемым при построении математических моделей и решении задач оптимизации. Последние должны удовлетворять ряду ограничений, соотношений, которые нередко нарушаются. Только такие "грубые" методы позволяют
решить задачу управления в условиях действия множества мешающих факторов, нарушающих нормальное функционирование технологического объекта в реальных условиях, и обеспечить требуемые значения выходных показателей.
Цель-работы. Разработка теоретических основ и прикладных аспектов робастного управлення непрерывными технологическими процессами в условиях априорной неопределённости.
Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:
формирование статистической концепции робастного управления непрерывными технологическими процессами;
разработка базовых принципов и формулировка основных понятий предлагаемых методов робастного управления;
разработка робастного метода коррекции переменных технологического процесса;
выявление робастных свойств модифицированных адаптивных алгоритмов проекционного типа при решении задач идентификации технологических объектов н управления ими;
разработка принципов формирования класса законов распределения выходных переменных для определения робастных управлений;
разработка вероятностного критерия для характеристики результата функционирования технологического объекта;
- разработка метода построения областей допустимых управлений
,, для формирования на их основе робастных управлений;
разработка способа получения робастных управлений для гетеро-скедастических процессов;
разработка количественной оценки робастности;
разработка алгоритмического и программного обеспечения для синтеза робастных управлений.
Методы исследования. Для решения перечисленных выше задач привлекаются методы теории управления, линейной алгебры, теории матричных игр, теории вероятностей, и математической статистики, функционального анализа и численные методы решения интегральных уравнений.
Научная новизна работы заключается в разработке основных теоретических положений, методов и алгоритмов-робастного управления непрерывными технологическими процессами. Его отличительная особенность состоит в отказе от традиционно используемых предпосылок, рассмотрении технологического процесса как статистически неопреде-
-ленного объекта управления, неприятии каких либо конкретных гипотез о виде законов распределения случайных переменных, характеризующих рассматриваемый технологический пронесе. Приемлемой считается только одна гипотеза - принадлежность закона распределения конкретной переменной некоторому классу распределений. Этот класс формируется исходя из некоторых неформальных соображений и охватывает по возможности псе законы распределения, подходящие для списания вероятностных свойств рассматриваемой выходной переменной. Новым в разрабатываемом подходе является введение и использование облпетей плпутимлт упразл;пі:й. формируемых по Еерсттпсстпсыу критерию, разрнСю-ргч метода пх построения для гетероскедастических объектов. Характерным для работы является то, что традиционные п задачах управления технологическими процессами условия минимума іши максимума функционалов качества заменяются вероятностными неравенствами. В итоге разработан ряд методов, которые обеспечивают ро-бастность показателей, характеризующих результат функционирования технологического объекта (вероятность нахождения выходной переменной в установлепном допуске,.заданные пределы изменения выходного показателя, требуемая ошибка выполнения задания и пр.) по отнотпеп;-.-т: "ьтгшаюичім4 - факторам, в качестве которых выступают зашумлённость, пестаччонарііост?,, используемые предпосылки, неопределённости различного Ш'да и т. д.
Практическая iwiH-rfb работы, Полученные в диссертации печуль-тагы составляют теоретическую и методическую основу для реализации гілгоригл;ов, обеспечивающих возможность управления технологическими процессами при случайных отклонениях их переменных or номиналов нлл заданий, нсстационариости параметров, априорной неопределенности, выражающейся, в частностиі в незнании конкретного вида условного законз распределения.выходной переменной (или переменных) или х?р?лгг^рт тарушення используемых предпосылок и предположении. Выполненные наследования характеризуются инженерной пл-правдешюстыо, доведены до конкретных методик, алгоритмов, программ. Полученные теоретические положения, принципы, алгоритмические и программные средства предназначены для решения важной на-роднохозяйсгвенной заяачи повышения эффективности .функцненяро-ваппч гег.нс.чогичесхих процессов. Разработаны алгоритмы и программы коррекции переменных технологических процессов при их случайных колебаниях относительно номиналов; создан комплекс программ, реализующий адаптивные модифицнропагшые алгоритмы проекционной ндспінфикаціш и управления. Полученные результаты послужили основой для разработки программно-моделирующего комплекса (ПМК), с помощью которого решается широкий спектр задач от всестороннего статистического анализа экспериментальных данных до синтеза
алгоритмов управления. Разработаны алгоритмические и программные средства для реализации робастного управления на основе построения, областей допустимых управлений. Сюда входят алгоритмы и программы построения облаете^ допустимых управлений для отдельных представителей рассштриваемЬго класса условных распределений выходной переменной, программы нахождения области робастных управлений и аппроксимации её многомерным параллелепипедом для однозначного выбора вектора управлений и независимых допусков на его составляющие.
Выполненные разработки являются эффективным аппаратом синтеза управлений технологическими процессами, позволяющим автоматизировать этот трудоемкий процесс, существенно сократить (полностью или частично) материальные и временные затраты за счет замены натурных испытаний или экспериментов математическим моделированием на ЭВМ.
Реализация результатов работы. Полученные результаты, разработанные алгоритмы и программные средства были использованы и используются в ПО "Аскольд" и "Прогресс" г. Арсеньева, в АОЗТ "Симбирская литейная компания" и в её дочерних фирмах "Силиком-1" и "Силиком-2" для управления качеством отливок, изготавливамых из алюминиевых и стальных сплавов литьём под давлением, литьём по выплавляемым моделям, для покрытия нитридтитаном поверхностей деталей товаров народного потребления. В Приморском производственном объединении "Бор" материалы диссертационной работы использовались для управления технологическим процессом сернокислотного разложения датолнтового концентрата при производстве борной кислоты. Получено авторское еввдетельство на способ разложения минерального сырья в химическом реакторе непрерывного действия. Имеется акт о передаче документации по робастному управлению технологическими процессами Комсомольскому-на-Амуре Государственному, техническому университету. Конкретными объектами применения полученных результатов были, кроме того, процессы приготовления модельных композиций, запрессовки пресс-форм модельной композицией, изготовления керамических оболочковых форм, заполнения литейных блоков металлом в технологических процессах литья на .Ульяновском авиационном промышленном комплексе (УАПК), технологические процессы механообработки деталей сложных конфигураций, резьбошлифовки, изготовления железобетонных конструкций, технологические процессы переработки нефтяного газа (газоперерабатывающий завод (ГПЗ) провинции Хей-лунцзяи КНР (г. Синьцзян)), технологические процессы крупногабаритного литья (КНДР).
Представленный в работе цикл исследований был вмлсгтген в рам: кях включенных в Государственную программу фундамеит'пьных исследований АН СССР И РАИ тем:
разработка комплекса методов и алгоритме^ по расчету опти-
*,:а~7>тіоЛ программы ведения непрерывных производственных процессов
(для пищевой, химической промышленности и цветной металлургии)
применительно к автоматизированным спстемам управления-. Владнро-
Чтоіс. Ю69.' 1970 г.;
разработка автоматизированной системы для параметрического управления качеством функционирования и надежностью технологических систем. Владивосток, 19S3-132& ;. г.;
разработка принципов и методов организации и проведения вычислительных экспериментов при идентификации и управлении технологическими процессами. Владивосток, 1991-1995 г.
хоздоговорных тем:
идентификация и автоматизированное управление технологическими процессами в ППО "Бор". Владивосток. ИАПУ ДВНЦ АН СССР. 1983 г.;
исследование и разработка методов, алгоритмов и программ обеспечения качества к паденашсти технических гостем. Нла.такоею'с. (989
.те..-,! по межд\'нап<>і)им". проектам;
"Псрер;шогка нефтяною газа", г. Синьцзпн, КНГ, С, -91-1993 г. г.); ''іідсн'іпфііїсаііпя ». упрц;и:яи!етехнояогт:гстс:!г.;н шюцйеа:мп кпугчопі-Оаритпсго литья", КНДР, 1991-1993.
Дн;5й2з.Ш:-!_!ВЙ5Ьг-^і Основные положения .4 результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались па V Всесоюзном совещании по статистическим методам и процессам управления (Алма-Ата, І9ІІІ); на IX . и X Всесоюзных совещаниях по проблемам управления (Ереван, 1983; Ал»«я-А.тг, !""5'; на Бессоюзной іь-коле-семинара "h'Ua~<-.:;uT.ii «cct.'OC м-л'сшрийяшге в науке и технике" (Пермь, J986): ш> 7-м cu:іпозі-:;, ...? 1F.V по стохастическому управлешпо (Вильнюс, 1986); на VI Всесоюзной научно-технической конференции "Опыт создания специального программного обеспечения АСУ ТП" (Черновцы, 1988); на Всесоюзной научно-технической конференции "Информационнее и про-грач?.?:тгс "беспечыше САПР" (Унаорол, 1989); на Всесоюзной конференции "Информационное и программно-; обеспечение САПР'" (Кпеа, 1990); на межотраслевой конференции "Управление технологическими процессами и свойства отливок" (Москва, НИАТ, 1990); на региональной конференции "Моделирование, управление и прогнозирование в технических системах" (Владивосток, 1991); на межрегиональной научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процес-
сы в литейном производстве" {Хабаровск, 1991); на международном семинаре "Негладкие и разрывные задачи управления и оптимизации" (Владивосток, 1991); на XIII краевой научно-технической конференции ДВГТУ (Владивосток, 1991); на международном научно-техническом симпозиуме "Наукоёмкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока" (Комсомольск-на-Амуре, 1994); на международном симпозиуме по математическому моделированию и криптографии" (Владивосток, 1995); на международной конференции "Автоматизированные системы управления" (Тбилиси, 1996), а также на других совещаниях, конференциях и семинарах.
Публикации. По результатам выполненных исследований опутай-ковано более 50 работ, среди которых 3 монографии, и одно авторское свидетельство.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из ічедеиия, 6-ти глав, заключения, библиографии из 208 наименований, 10 приложений, содержит 57 рисунков и 22 таблицы. Основной текст изложен на 259 страницах.
