Введение к работе
Актуальность темы. Характерными особенностями многих непрерывных технологических объектов являются многомерность, внутренняя взаимосвязь между параметрами, наличие значительного числа возмущений и нестационарное поведение в условиях износа оборудования, изменения характеристик основных и вспомогательных материалов и других факторов, влияющих на изменение динамики. Управление такими объектами с применением традиционных методов и средств не обеспечивает высоких требований к качеству управления и в конечном итоге к качеству получаемых продуктов.
В связи с бурным прогрессом в микроэлектронике и цифровой вычислительной технике появляется возможность создания многосвязных цифровых систем управления (ЦСУ) на основе рационального сочетания известных методов теории управления, разработанных в последнее время математических пакетов и результатов исследования новых подходов к синтезу, основанных на дискретном описании объектов и управляющих алгоритмов, эффективность которых значительно выше известных непрерывных законов управления.
Однако в настоящее время отсутствует системный подход, позволяющий проводить автоматизированный синтез многосвязных систем. Объясняется это не только сложностью математического аппарата, но и невозможностью его реализации на локальных средствах аналогового управления Уровень развития технических средств управления значительно опередил разработки в области теории цифрового управления и практического применения.
Характерной чертой существующих систем является необходимость перенастройки при скачкообразном или вялотекущем изменении динамических характеристик. Наиболее трудной, при этом, является задача перенастройки системы для управления многосвязным объектом. Это объясняется не только особенностями текущей идентификации многомерных дискретных моделей, но и отсутствием математического аппарата и алгоритмов, позволяющих проводить адаптацию компенсаторов перекрестных связей и возмущений в автоматическом режиме при изменении не только параметров, но и структуры многосвязного объекта и отдельных каналов.
ЦСУ в отличие от аналоговых систем могут работать с различной степенью дискретизации, что существенным образом влияет на качество управления. Выбор такта квантования, его оптимизация по тому или иному критерию также является не решенной задачей до настоящего времени. Известные классические подходы дают лишь-рскомендации.іг pro выбору в диапазоне частот.
ланий
Одним из необходимых условий создания эффективных многосвязных ЦСУ является комплексный методологический подход к их синтезу, что обеспечивается унификацией математического информационного и программного обеспечения на всех уровнях проектирования и эксплуатации адаптивных ЦСУ. Единая методология должна определить научные основы синтеза рациональных сочетаний классических и новых подходов к цифровому управлению многосвязными объектами. В связи с этим весьма актуальной является систематизация известных методов теории управления, теории дискретных систем и разработки новых решений, позволяющих эффективно проводить автоматизированный синтез многосвязных адаптивных ЦСУ как при проектировании, так и в эксплуатационном режиме.
Диссертационная работа выполнена на кафедре информационных и управляющих систем Воронежской государственной технологической академии в соответствии с программой работы Министерства образования и науки РФ по теме «Разработка и совершенствование математических моделей, алгоритмов регулирования, средств и систем автоматического управления технологическими процессами» № г.р. 01.9.60 007315.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является: разработка методологии, научных основ структурно-параметрического синтеза моделей и алгоритмов многосвязных цифровых систем управления объектами непрерывного действия в условиях нестационарности, обеспечивающих построение инструментальных средств в виде математического, алгоритмического и программного обеспечений оптимального адаптивного управления многосвязными объектами, повышающих эффективность-/их функционирования.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
системный анализ и построение математических моделей многосвязны к непрерывных объектов управления на основе дискретного динамического описания;
определение методологии синтеза связно-комбинированных многомерных цифровых систем на основе автономно-инвариантного управления;
исследование влияния длительности такта квантования непрерывного сигнала на качество идентификации и управления и обоснование его выбора;
разработка алгоритмов синтеза цифровых компенсаторов перекрестных связей и возмущений многосвязной системы управления на основе принципов автономности и инвариантности;
синтез и исследование метода текущей идентификации, позволяющего повысить скорость и точность оценки параметров дискретных динамических моделей нестационарных объектов в условиях многосвязного управления;
синтез алгоритма адаптации автономных и инвариантных цифровых компенсаторов многосвязных систем реализуемого в автоматическом режиме;
оптимизация управляющей части многосвязной ЦСУ в условиях нестационарности;
синтез и исследование качества ЦСУ нестационарными многосвязными объектами химической технологии на основе созданных инструментальных средств в виде математического, алгоритмического и программного обеспечения;
промышленная апробация разработанных алгоритмов цифрового управления на предприятиях и оценка эффективности использования
Методы исследования. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования базируются на использовании методов и теории автоматического управления аналоговых и цифровых систем, линейных оптимальных многосвязных систем управления, математического моделирования, структурного синтеза, идентификации и нелинейного программирования. Общей методологической основой является системный подход.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методов и научных основ автоматизированного синтеза многосвязных адаптивных цифровых систем управления объектами непрерывного действия в условиях нестационарности.
разработана дискретная модель многосвязного объекта, отличающаяся блочно-матричным представлением структуры связей в объекте;
разработан алгоритм идентификации модели многосвязного объекта с учётом переменного временного такта квантования;
получено аналитическое выражение условия автономности многосвязной системы в блочно-матричном представлении;
разработан алгоритм синтеза цифровых компенсаторов перекрестных связей и возмущений многосвязной системы на основе предложенной модели объекта и нового представления условия автономности;
предложен алгоритм автоматической адаптации управления, отличающийся возможностью структурной подстройки моделей эквивалентных объектов и компенсаторов;
предложен подход к синтезу адаптивных многосвязных ЦСУ, отличающийся комплексной адаптацией основных цифровых регуляторов
и компенсаторов на основе блочно-матричного представления и текущей оптимизации временного такта квантования;
- теоретически обоснован и разработан новый метод текущей
идентификации (рекуррентный метод производных критерия), отличаю
щийся тем, что в процессе получения оценок используются численные зна
чения частных производных критерия по двум значениям оценок парамет
ров модели объекта, полученных на предыдущих шагах.
На защиту выносятся:
методология и научные основы синтеза многосвязных цифровых систем управления многомерными непрерывными объектами;
автоматизированный синтез адаптивных цифровых систем управления на основе использования нового метода текущей идентификации дискретных динамических моделей, алгоритмов адаптации цифровых компенсаторов многосвязных систем, численных методов оптимизации;
результаты машинных экспериментов и апробация разработанных методов и алгоритмов синтеза для промышленных объектов.
Практическая значимость работы состоит в построении комплекса инструментальных средств синтеза многосвязных ЦСУ на основе предложенных методов, дискретных моделей и алгоритмов, предназначенных для разработки математического, информационного и программного обеспечений автоматизированного синтеза адаптивных цифровых систем управления многосвязными непрерывными объектами. Комплекс обеспечивает поддержание оптимального управления многомерными нестационарными объектами в процессе функционирования за счет автоматизации процедур синтеза и возможность использования в АСУ, САПР как при проектировании, разработке, так и в процессе эксплуатации систем.
Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы реализованы в составе автоматизированных систем управления в нефтехимической промышленности, а также в учебном процессе ВГТА в виде учебного пособия и лабораторных практикумов. Результаты работы внедрены на трех предприятиях путем включения в проектную документацию и ввода в промышленную эксплуатацию систем управления, защищенных авторскими свидетельствами. По результатам работы получено 23 авторских свидетельства и патента на изобретения, три из которых внедрены с экономически эффектом. Суммарный экономический эффект от внедрения составил в ценах до 1991 г. - 1208,2 тыс. руб.
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации были доложены: на международных конференциях «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (г. Москва, 1994 г.); «Автоматизация биотехнических систем в условиях ры-
7 ночной экономики и конверсии» (г Москва, 1994 г); «Жидкостная экстракция органических соединений ISECOS 92» (г. Воронеж, 1992 г); «Математические методы в химии и химической технологии» (г Тверь, 1995 г., г. Тула, 1996 г.); «Математические методы в технике и технологиях», (г. Великий Новгород, 1999 г., г С.-Петербург, 2000 г., г. Смоленск, 2001 г., і. Тамбов, 2002 г., г. Ростов, 2003 г.; г. С.-Петербург, 2003 г.); всесоюзных конференциях «Динамика процессов и аппаратов химической технологии» (г. Воронеж, 1982 г., 1985 г., 1990г.); «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (г. Москва, 1984 г.); «Математическое моделирование сложных химико-технологических систем» (г. Одесса, 1985 г.); «Применение микро-ЭВМ в управляющих и информационных системах в промышленности синтетического каучука» (г. Воронеж, 1985 г.); «Автоматизация и роботизация в химической промышленности» (г. Тамбов, 1986 г., 1988 г.); «Применение микро-ЭВМ в автоматизированных системах управления в промышленности синтетического каучука» (г Воронеж, 1987 г.); «Разработка комбинированных продуктов питания» (г. Кемерово, 1991 г.); всероссийских конференциях «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород, 1999 г.); «Информационные технологии и системы» (г Воронеж, 1999 г.); рсіиональньїх и отраслевых конференциях «Проблемы химии и химической технологии» (г. Воронеж, 1995 г.); «Метрология и автоматизации в нефтехимической и пищевой промышленности» (г. Воронеж, 2002 г., 2003 г.); межвузовских и внутривузовских научных конференциях профессорско-преподавательского состава и научных работников ВГТА, в 1986-2004 г.г.
Под руководством и при непосредственном участии автора выполнялись работы по разработке и внедрению автоматизированных систем управления технологическими процессами в производствах мономеров синтетических каучуков на ОАО «Нижнекамскнефтехим», ООО «Тольят-тикаучук», ОАО «Синтезкаучукпроект».
Публикации. По результатам проведенных исследований и практических разработок опубликовано 106 научных работ, в том числе монография, учебное пособие, 23 авторских свидетельства и патента на изобретения. Основное содержание работы изложено в 57 публикациях, список которых приведен в автореферате.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 194 наименований и приложений Основной текст изложен на 308 страницах Работа содержит 54 таблицы и 56 рисунков Объем приложений 14 страниц
