Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Усложнение технологических
процессов, роботизированных механизмов и других систем приводит к увеличению скорости протекания переходных процессов и увеличению количества подсистем, которые необходимо контролировать как отдельно, так и в рамках всего процесса. При увеличении количества подсистем и их усложнении происходит увеличение контролируемых параметров. Имеющиеся параметры необходимо обрабатывать, выдавать адекватные и своевременные управляющие воздействия. При создании системы управления сложными процессами с большим количеством контролируемых параметров возникает проблема размерности системы. Суть проблемы заключается в увеличении количества контролируемых параметров, что приводит к увеличению времени расчета управляющих воздействий. Увеличение времени расчета управляющих воздействий приводит к уменьшению скорости работы системы в целом. Обычно при решении приведенных проблем используется концепция Ротача, в соответствии с которой все сложные системы и процессы разбиваются на отдельные подсистемы. В каждой подсистеме используется отдельный регулятор на основе ПЛК. В подсистемах, где необходимо учесть множество параметров и выработать одно регулирующее воздействие, - разбиение системы не является эффективным методом. Сложные объекты управления имеют неопределенности, которые могут быть порождены как в самой системе, так и являться внешними воздействиями. В условиях неопределенности невозможно адекватно управлять объектом при помощи классических методов. Для управления в условиях неопределенности необходимо использовать теорию робастных регуляторов или теорию адаптивных систем. Регуляторы, синтезированные на основе приведенных теорий, способны нивелировать влияния неопределенностей.
В настоящее время для управления технологическими процессами и сложными системами производятся промышленные регуляторы со встроенными алгоритмами управления, которые можно изменять. Лидерами по разработке таких систем являются зарубежные компании Allen Bradley, Schneider Electric.
Из анализа литературных источников следует что основная часть научных работ в области автоматизации систем посвящена робастным системам, создаваемым под конкретный процесс. Гораздо меньше работ посвящено адаптивным алгоритмам регуляторов, синтезу ПИД и нечеткого алгоритма, внедрению нейронных сетей. Отечественные работы, направленные на решение проблемы размерности системы управления отсутствуют. Решив проблему размерности системы, появится возможность повысить быстродействие и уменьшить время запаздывания.
Анализ имеющихся публикаций позволяет сделать заключение, что создание регулятора с высоким быстродействием, не зависящим от размерности системы, является актуальной научной и технической задачей. Подобные регуляторы могут быть использованы для управления большими, динамическими системами с множеством параметров контроля и иметь постоянное время
запаздывания при добавлении дополнительных параметров. Из известных направлений выбрана теория построения робастных регуляторов на основе алгоритмов нечетких множеств. Теория нечетких множеств позволяет осуществлять управление объектами в условиях неопределенности. Особенности синтеза регуляторов на нечеткой логике позволяют отнести их к робастным регуляторам, основанных на матричной структуре. Матричная структура позволяет предположить, что алгоритм выработки управляющего воздействия можно вычислять параллельно. База правил, содержащаяся в регуляторах, позволяет внедрить защитные алгоритмы непосредственно в регулятор. Внедрение карты защит в регулятор позволит повысить безопасность эксплуатирования системы.
Актуальность работ, связанных с разработкой современных систем управления и основанных на элементах нечеткой логики, подтверждается необходимостью управления большими, распределенными системами. Особенно важна разработка отечественных систем управления, отвечающих текущему этапу развития технических систем по характеристикам и безопасности. Такими системами могут быть как технологические производственные процессы, так и сложные роботизированные механизмы.
Цель диссертации. Разработка и исследование устройства управления многомерными объектами, в котором размерность системы не влияет на время вычисления регулирующего воздействия.
Задачи исследования. Поставленная цель достигается путем решения следующих задач.
-
Анализ проблем и методов управления в условиях неопределенности.
-
Адаптация алгоритма управления к параллельной обработке и архитектуре вычислительного ядра регулятора.
-
Выбор алгоритма, разработка и реализация универсального регулятора в котором управляющее воздействие вычисляется параллельно.
-
Разработка интегрированной базы лингвистических импликаций, включающей экспертные данные для управления объектом и интегрированные карты защит.
-
Создание программно-аппаратного комплекса для управления сложными объектами в условиях неопределенности.
-
Исследование цифрового регулятора, использующего алгоритм нечеткого вывода, применительно к аналоговым объектам управления.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были применены методы теории автоматического управления, теории графов, нечеткой логики, вычислительной математики, методы математического моделирования, принципы разработки аналоговой и цифровой аппаратуры, методы цифровой обработки сигналов и экспериментальные исследования.
Научная новизна работы.
1. Предложена функциональная структура регулятора для сложных
многомерных систем, обеспечивающая параллельное управление объектами в условиях неопределенности.
-
Алгоритм вычисления управляющего воздействия регулятора на нечеткой логике адаптирован для параллельной обработки на ПЛИС, что позволяет существенно сократить время расчета.
-
Разработана интегрированная база импликаций для всех контуров управления, подключенных к регулятору.
-
Разработан метод внедрения карты защит системы управления непосредственно в регулятор, позволяющий системе управления производить расширенную корректировку регулятора в нештатной ситуации при помощи машины логического вывода (МЛВ).
-
Получен патент на полезную модель и свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Теоретическая значимость работы. Полученные в диссертации
результаты позволяют расширить возможности существующих систем
автоматического регулирования за счет параллельного управления объектами в условиях неопределенности.
Практическая ценность работы.
-
Разработан регулятор на основе алгоритма нечеткого вывода с параллельно вычисляемым управляющим воздействием, позволяющий сократить время переходного процесса в каждом отдельном контуре.
-
Разработан метод внедрения карт защит непосредственно в регулятор, что позволяет системе управления выбрать алгоритм защиты на основании максимально возможной информации об объекте.
-
Разработанная архитектура регулятора позволяет проектировать системы управления, на время работы которых не влияет размерность объекта регулирования.
-
Разработанное оригинальное устройство, позволяет параллельно управлять множеством контуров регулирования в сложных технологических объектах с большим количеством параметров.
-
Созданный программно-аппаратный комплекс позволяет переносить алгоритм регулятора из среды разработки на объект управления без потери качественных характеристик.
Достоверность полученных результатов. Достоверность предложенного
метода параллельного вычисления подтверждается успешным применением его
для одновременного управления объектами регулирования во время
экспериментальных исследований. Достоверность предложенной архитектуры регулятора с элементами нечеткой логики подтверждена на стенде при проведении экспериментальных исследований.
Апробация результатов. Основные результаты работы представлены на следующих конференциях.
-
Всероссийская научно-практическая конференция "Многоядерные процессоры, параллельное программирование, ПЛИС, системы обработки сигналов (МППОС-2014), г. Барнаул, 2014г.
-
Всероссийская школа-конференция молодых ученых, УГАТУ, г. Уфа. 2013г.
3. Молодые атомщики Сибири. V всероссийская школа-конференция,
СТИ НИЯУ «МИФИ», г. Томск, 2014г.
Реализация и внедрение результатов работы. Реализованный метод управления и схемотехнические решения использованы при разработке системы автоматического регулирования выходной мощности в серии векторных анализаторов цепей Р42 производства АО «НПФ «Микран».
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Регулятор на основе алгоритмов нечетких множеств, использующий параллельное вычисление управляющего воздействия по алгоритму Мамдани, не подвержен влиянию проблемы размерности системы на время вычисления. Реализация параллельного алгоритма позволяет существенно сократить время расчета управляющего воздействия по сравнению с последовательным алгоритмом Мамдани.
-
Обобщенный блок правил для контуров регулирования позволяет регулятору вырабатывать наиболее оптимальное управляющее воздействие на основании максимально полной информации об объекте. Интегрированная в блок правил карта защит позволяет реализовать многоступенчатые алгоритмы поведения системы при возникновении нештатной ситуации.
-
Устройство управления сложными объектами, выполненное на основе параллельного вычисления управляющего воздействия по алгоритму Мамдани и ПЛИС в виде вычислительного ядра, обеспечивает время выработки управляющего воздействия недоступное для классических регуляторов использующих программную реализацию алгоритмов регулирования за счет сокращения количества операций при расчете.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 5 работ, в том числе 3 публикации в журналах из перечня ВАК, 4 публикации в сборниках всероссийских конференций, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 1 патент РФ на полезную модель.
Личный вклад автора. Диссертация является итогом исследований автора, проводившихся совместно с сотрудниками АО «НПФ «Микран» и СТИ НИЯУ МИФИ. Все приведенные методы и алгоритмы разработаны лично автором. Опытные образцы и программное обеспечение разработано либо лично автором, либо с его непосредственным участием. Часть статей по теме диссертации написана без соавторства.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 120 страниц машинописного текста, включая 59 рисунков, а также список литературы из 87 наименований.