Введение к работе
Актуальность проблемы. Постоянное повышение требований к качеству решения важных практических задач автоматизации технологических процессов, обработки данных физических экспериментов, управления сложными распределенными объектами а реальном времени и прогнозирования режимов указанных объектов в ускоренном времени требуют создания математических модален рассматриваемых объектов и процессов, а также компьютерных средств их реализации. Применение методов математического и компьютерного моделирования позволяет снизить трудоемкость разработок за счет сокращения объемов натурных экспериментов,.обеспечивает повышение достоверности анализа характеристик, позволяет повысить . эффективность ' решения задач проектирования и создания высокопроизводительных специализированных вычислительных устройств; воспроизводящих характеристики системы в реальном и ускоренном времени и обеспечивающих автоматизацию процессов управления объектами рассматриваемого класса. Без изучения динамики объектов управления, построения адекватных математических моделей и аффективных средств их реализации невозможна практическая реализация заданных алгоритмов управления.
Одним из наиболее универсальных средств анализа процессов, происходящих в исследуемых объектах, является вычислительный експеримент. Его основу составляет триада: недель -метод «алгорт*>-программа, или математическая модель и пяфровые, аналоговые ила гибридные средства ее реаливащи. ' иатізматическая модель, гфедставлнодая собой обычно систему алгебраических , ЛЧ^І^^Р" ***щ*. или интегральных
-.4-,-
уравнений, строятся на осново анализа физических процессов, происходящих в объекте, либо на основе давних экспериментального исследования объекта. В связи с ограниченными возможностями существующих аналитических методов неизбежно возникает задача разработки численных методов, алгоритмов и вычислительных структур для реализации подученных математических моделей, т.е. необходимо разработать программные, аппаратные либо программно-аппаратные средства реализаций математических моделей.
Во многих случаях полученная математическая модель
оказывается настолько сложной, что ее реализация на ЦВМ
требует чрезвычайно больших затрат машинного времени и
невозможна в реальном или ускоренном времени. Такая ситуация
возникает, в частности,, при создании тренажеров для обучения
персонала, занятого управлением сложными системами, такими,
например, как системы дальнего транспорта газа, атомные
электростанции, летательные аппараты и др. В этом случае
математическая модель /может быть реализована в реальної
времени средствами аналоговой или гибридной вычислительно!
техники. Вопросам гостроения математических моделей управля
емых распроделенных объектов и их аппаратной и программно!
реализации ,': посвящены;;л^ работы / А.Г.Бугковского,
Л^И.Гутевмахера; М.З.Згуровского,; ,; Ю.м.мэцэвитого
в.Е.Прокофьева, Т.Е.Пухова, X.А.самарского и др. .
Задачи определения возмуцаюших воздеяствиа и идентифи
ltaiim хаоактери<ггик--и- параме-іров объектов управления ст
измеренным ариагш задач
Проблемаустойчивости решения обратных задач для рассматри
вззмого класса объектов решается применением методов регуляризации, разработанных А.Б.Бакушинским, А.Ф.Верланем, В.К.Ивановым, М.М.Лаврентьевым, В.А.Морозовым, А.Н.Тихоновым и др.
Необходимо отмотать, что задачу рагработки и реализации математических моделей сложных управляемых распределенных объектов до настоящего времени нельзя считать в полной мере решенное, так как при разработке математических моделей недостаточно учитывалась специфика их последующей реализации средствами цифровой, аналоговой и гибридной вычислительной техники.
Исследования и разработки до теме диссертации выполнялись а соответствии с тематикой координационного плана АН Украины по комплексной проблеме "Теоретическая электротехника, электроника и моделирование* на 1981 - 1985 г.г. и 1988 - 1990 г.г»; проектами 1^749 "Гибрид" на 1993 - 1993 г.г. и 2.33^99 "Гибрид" на 1991 - 1995 г.г. Государственного фонда фундаментальных исследований Украины по научному направлению "Математика, информатика и механика".
Цель диссертационной работы. Создание методов идентификации и компьютерного моделирования слошяугфэвляемых распределенных объектов, сворачивающих получение решения в реальном и ускоренном времени, а также алгоритмическая, протраммнгя и аппаратурная реализация предложенных методов для повышения качества обработки результатов физических экспериментов, автоматизации технологических процессов и процессов улравлвиия тлшичвсками объектами'.. " ,.\. Достижение поставленной цели требует решения следующих
- в -
задач:
1. Разработка методов, алгоритмов, программны! и аппаратных средств для обработки экспериментальных данных, необходимых для построедозя математических моделей, па основ решения некорректных обратных озд=ге.
3. Разработка методов я алгоритмов построения математи ческих моделей управляемых линейных и нелинейных распреде ленных объектов на основа аксшримэнтальных данных о исполь зованиом методов непараметрической и параметрическо: идентификации.
-
Разработка структур сгоциглизировавпых вычислитель ных устройств для идентификации и моделирования управляемы распроделенных объектов, обладающих возможностями работы реальном и ускоренном времени.
-
Создание аппаратных и программных моделей для рэшс ция прикладных задач исследоваямя управляемых распределанвь объектов и прогнозирования их режимов в реальном и ускорег ном времени.
Методы исследований базируются на теоретических и мел дологических основах математического моделирования, метод; линейной алгебры, функционального анализа, теории автоматі ческого управления, методах решения некорректно поставленні задач, теории аналогий, методах оптимизации, методах лине: ной фильтрации. . .
Научная новизна.
1. Развит Подход к математическому моделированию ело ных управляемых распределенных объектов, основанный на и пользовании методов вепараметрической идентификации или ан
логическом построении модели с последующим применением методов параметрической идентификации с учвтои специфики реализации математических моделей программными, аппаратными или программно-аппаратными средствами в реальном времени.
-
На основе предложенных методов регуляризации решения некорректных обратных задач разработаны методы, алгоритмы, программные и аппаратные сродства для обработки экспериментальных данных, ориентированные на реализацию специализированными вычислительными устройствами в реальном времени.
-
Разработана совокупность методов непараметрической и параметрической идентификации управляемых нелинейных распределенные объектов на основе экспериментальных данных, обеспечивающих устойчивость процесса, построения математической 'модели.
-
Разработаны структуры специализированных вычислительных устройств и программные средства, предназначенные для идентификации и реализации математических моделей управляемых распредаленных объектов в реальном и ускоренном времени в условиях априорной неопределенности исходных данных.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Предложенные в диссертационной работе методы регуляризации некорректных обратных задач реализованы в виде нагота прикладных программ и ряда специализированных вычислительных устройств, позволяющих решать широкий класс задач инторпре-. тации эксшрйментальных данных и идентификации объектов с распредатанными параметрами. "-' :'*'_.
'.''. Программные и, аппаратные средства для моделирования , упразляемых расгфвдэленных. объектов в реальном. и ускоренном
- в -
времени, предназначенные для прогнозирования режимов функционирования объектов, используются в качестве советчиков диспетчера и как тренажеры для обучения технического персонала ва ряде предприятий:
в практике диспетчерской службы для оперативного анализа я прогнозирования гидравлических режимов системы газопроводов ПО "Аатравсгаз" (г.Баку, Азербайджан) и ПО ЧЗренбургтрансгаз" (г.Оренбург, Россия);
в центральном дасдатчарском управлении ПО "Казахгаз-прон" (г.Акса. Уральской области, Казахстав) для анализа и прогнозирования режимов конденсатопроводі УКПГ16 - ОГГО.
Структуры сюциализированных вычислительных устройств для решения задачи обработки экспериментальных данных в реальном времени использованы в НИИ "Орион" <г.Киев) для обработки результатов испытания лавинопролетных диодов.
На основе предложенных в гксертации структур програм-мяо-технических комплексов для автоматизация сбора 'экспериментальной информации созданы автоматизированные информационные системы, которые используются в диспетчерских службах на первомайском, Ззсельскоы и Заплазском сахарных заводах Украины для контроля и управления параметрами технологического процесса переработки свеклы и производства сахара.
Научные разработки автора по математическому модолиро-ванию управляемых распределенных объектов использованы і учебном процессе одесского государственного политехнического университета при чтении курса лекция та диецшшш "Аэтоматизация пргектироаашм систем управления".
Ойций экономический эффэкт, подтвержденный актами і
внедрении, составляет 1034і 9 тыс. руб. (в ценах 1090 г.).
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на і Международны* и 17 Всесоюзных и республиканских конференциях и семинарах, в Частности: на Республиканском семинаре "Гибридные вычислительные машины и комплексы" (Одесса, 1976), Всесоюзно?» научно-технической конференции "Проблемынелинейной . злэктротох- '.' ники" (Киев, 1881), Всесоюзном семинаре "Сгоциалиэированные ':':' процессоры параллельного действия для ревюнин краевых задач" (Рига,. 1981), Всесоюзной научно^тохническоя;. конференции "Развитие и использовакда аналоговой.и.аналого-імфровов вы-: чйслительноа техники"; (Москва, 1981), Республиканских науч^ на-техшческих конференциях иЛптвгральіа4е уравнения; в тіря^ ,".. клздном моделированиии (Киев, 1983; Киев, 1988; Одесса, 1989), Всесоюзных школах-семинарах "Теориям методы решения некорректно поставленных задач и^га.приложения4 (Самарканд, 1983; Саратов, 1986), З^а Всесбознря-научно^техничеокоа кон-фэронции "Программное,. алгоритмическое обеспечение АСУ ТП*' (Ташкент, 1885), Всесоюзное научно-техническоа конференции *Моделированио-8б. Теория. Сродства. Применение** (Киев, 1885), Республикавскоа научно-техпическоа конференции "Фувк-цион.эльио-ориентировзнние вьгаолительные системы" (Харьков, 18В8), научно-технической конференции "Метода и средства проектирования динамических систен с учетом требования кор-1 рэктнооти и грубости'* (Одесса, 1988), Всесоюзной научно-техничес.сой конференций "Актуальные проблем і моделирования и управления системами о распределенными параметрами'1 (Одесса/ 1987), 8-а международной конференции "Применение ЭВМ в тех-
- to -
нике и управлении производством, compoontroi-ev" (Москва, 1987), Республиканской конференции "Математическое моделирование физических полей" (Саратов, 1988), Международной конференции "Комплексная .автоматизация промышленности" (Вроцлав, Польша, 1988), научно-техническим семинаре "Практическая реализация машинных методов решении краевых задач" (Пенза, 1989), 4-й Международной научно-технической конференции "Проблемы комплексной автоматизации"'. (Киев, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Математическое моделирование в энергетике" (Киев, 1990), научно-техническом семинаре "їоория идентификации нелинейных динамических объектов" (Торговиште, Болгария, 1990), xi int»i>n»t.tonai
Сі>пГє>р»і>і;а or» 5уяЬ«мпя Sait>na«* (Wpnotaw, Poland, 10, 1-й
Украинской научно-методической конференции "Автоматика, управление и автоматизация технологических процессов, экологического контроля и мониторинг' " ХЕКАВІ0МЛІККА-93 (Алушта, 1993), 1-й Украинской научно-технической конференции "Автоматика-94" (Киев, 1994).
Публикации, По теме диссертации опубликовано 63 работы, в том числе 15 авторских свидетельств на изобретения.
структура и объем работы. Диссертация состоит из введения; восьми глав, списка использованой литературы и дьух приложений. Работа содержит 284 страницы, включая 251 страницу основного текста, 33 страницы иллюстрация.
