Введение к работе
Диссертационная работа посвящена проблеме синтеза систем управления ненаблюдаемыми фазовыми координатами объектов с распределенными параметрами, описываемых уравнениями в частных производных параболического типа.
Актуальность работы. Современная теория управления располагает мощным математическим аппаратом для синтеза систем управления объектами с сосредоточенными выходными параметрами.
Большое число работ посвящено системам управления многомерными объектами и объектами с распределенными параметрами (ОРП).
В работах А.Г Бутковского, А.И. Егорова, Ю.В. Егорова, Ж.Л. Ли-онса, К.А. Лурье, Т.К. Сиразетдинова, Э.Я. Рапопорта, В.А. Коваля, И.М. Першина А.И. Данилушкина, С.А. Горбаткова, М.Б. Коломейцевой, М.Ю. Лившица, Л.С. Зимина, П.И. Носова, Л.В. Синдякова, Н.И. Малеш-кина и др. получены принципиально важные результаты математического описания пространственно протяженных объектов и синтеза алгоритмов оптимального управления. Задачи синтеза сосредоточенных систем управления, адаптивных к возмущающим воздействиям, в том числе и параметрического характера, решались в трудах Л.М. Бойчука, П Д Крутько, В.К. Тяна и др.
Известные методы синтеза систем управления объектами с распределенными параметрами обладают рядом преимуществ, многие нашли широкое применение в промышленности. Но вопросы синтеза систем управления объектами с распределенными параметрами в условиях параметрической нестабильности практически не рассматривались, при том, что все модели объектов и алгоритмы управления рассчитывались с учетом допущений о постоянных или кусочно-постоянных значениях физических параметров объекта. Еще одной проблемой является необходимость управления фазовыми координатами, которые могут оказаться ненаблюдаемыми.
Указанные недостатки связаны, прежде всего, со сложностью описания объектов с распределенными параметрами.
В случае синтеза системы управления процессом нагрева массивных заготовок допущение о постоянстве теплофизических параметров объекта вносит погрешность в математическое описание, поскольку эти параметры зависят от температуры и от однородности материала заготовок.
Что касается определения ненаблюдаемых параметров объекта, существует множество подходов к синтезу различных наблюдателей и анализаторов, но все основаны на аналитических расчетах с допущением постоянства физических параметров объекта.
Сказанное определяет актуальность задачи разработки систем управления ОРП с ненаблюдаемыми фазовыми координатами в условиях параметрической нестабильности характеристик объекта
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов структурно-параметрического синтеза системы управления ОРП с ненаблюдаемыми фазовыми координатами в условиях параметрических возмущений.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
Разработка реализуемых динамических структур, близких к обратной передаточной функции распределенного объекта с граничным управлением первого рода.
Определение эталонной траектории изменения измеряемого выхода объекта, обеспечивающей требуемый характер поведения ненаблюдаемой фазовой координаты.
Структурно-параметрический синтез методом обратных задач динамики систем граничного управления ОРП параболического типа с выходом по ненаблюдаемым фазовым координатам.
Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления процессом нагрева массивных заготовок.
5 Компьютерное моделирование процессов граничного управления объектами с распределенными параметрами.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, аппарата преобразований Лапласа, теории теплопроводности, теории автоматического управления, структурного моделирования объектов с распределенными параметрами, методы обратных задач динамики и компьютерного моделирования
Научная новизна. Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления о методах структурно-параметрического синтеза систем управления объектами с распределенными параметрами параболического типа Полученные в работе результаты позволяют эффективно решать инженерные задачи построения высококачественных систем управления объектами технологического нагрева. В диссертации получены следующие основные результаты, отличающиеся научной новизной'
Разработана реализуемая динамическая структура, моделирующая обратную передаточную функцию ОРП с управлением по граничным условиям первого рода, отличающаяся использованием в этих целях цепной схемы включения динамических компенсаторов.
Выполнен структурно-параметрический синтез системы граничного управления ОРП с выходом по ненаблюдаемым фазовым пе-
ременным, базирующийся, в отличие от известных подходов, на методах обратных задач динамики управляемых систем. 3. Установлена высокая степень инвариантности синтезируемой системы к параметрическим возмущениям характеристик объекта управлення. 4 Предложены новые структуры систем граничного управления объектами технологического нагрева с неполным измерением состояния по наблюдаемым температурам, синтезируемые, в отличие от известных, методами обратной динамики Практическая ценность диссертационной работы определяется следующими результатами
- разработано специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение процедур синтеза систем управления объектами с распределенными параметрами параболического типа методами обратной динамики;
предложены реализуемые структуры замкнутых систем управления распределенными функциями состояния ОРП с обратными связями по наблюдаемым выходам объекта; обоснована целесообразность практического применения разработанных способов построения систем управления ОРП, разработана инженерная методика синтеза систем управления процессами технологического нагрева с обратными связями по измеряемым температурам поверхности нагреваемых тел, обеспечивающих выполнение заданных требований к поведению температурного поля в условиях параметрической нестабильности характеристик объекта. Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в проектных разработках перспективных систем управления технологическим оборудованием в ООО «Самаранефтеавтоматика» (г. Самара) и в учебном процессе при подготовке в СамГТУ инженеров но специальности «Управление и информатика в технических системах» и магистров техники и технологии по направлению «Автоматизация и управление»
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2003), X Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2004), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии Инновации » (Новосибирск, 2004), Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара 2004), V Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Полег» (Киев, 2005), VI Международной научно-технической
конференции «Компьютерное моделирование» (Санкт-Петербург, 2005), II Всероссийской научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» (Уфа, 2005), XII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2006)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 1 в журнале из перечня, рекомендованного ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 110 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 81 наименования и 2 приложения.
На защиту выносятся следующие положения'
Метод формирования с помощью цепной схемы включения динамических компенсаторов обратной передаточной функции для ненаблюдаемых выходов распределенного объекта параболического типа с граничными условиями первого рода
Способ структурно-параметрического синтеза методами обратной динамики малочувствительных к параметрическим возмущениям систем управления распределенным объектом параболического типа с неполным измерением состояния.
Структура системы управления ненаблюдаемой температурой во внутренней точке но объему объекта технологического нагрева.
Способ построения системы управления температурным полем объекта технологического нагрева с обратной связью по измеряемым граничным температурам.
