автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Алгоритмическое и программное обеспечение идентификации и оптимизации технологических процессов теплоэнергетики

ленинградский госудшзишный университет

На правах рукописи

ЛОГИНОВ Взннадпй Изенальевич

ШШЛШЧЕСКОЕ И ОТОГРАКлШЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЩЩПЙИХАЦИЯ И 01ГОШВДШ ТНШОЛОИИЕСИа ПРОЦЕССОВ ТШОЗНЕРПЖКИ (С ПШОШШШ

к судони ¡мрошекшш устшжам)

Специальность 05.13.07 - автоматизация технологических

процессов л производств Сцрощиленнооть)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград - 1991

ь

) \ 1 ' , I ) \ ■ :

Работа выполнена в Ленинградском высшей военно-морском инженерной уч&нгще им. Б.И.Ленина.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Р.Э.Францев

Официальные оппоненты:

-доктор технических наук, профессор Г.А.Двдук, - кандидат технических наук В.М.Плотников.

Ведутдая организация - НПО "Меридиан".

Защита состоится MQjf 1991 г. в час.

на заседании специализированного совета К 063.57.48 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Ленинградском Государственном университете по адресу: I99I78, Ленинград, D.O., 10 линия, д.33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им.А.М.Горького Ленинградского Государственного университета по адресу: 199034, Ленинград, Университетская наб., д.7/9.

Отзыв на автореферат, заверенный печатьв, присылать в 1-м экзеглтяре по адресу: 198904, Ленинград, Петродворец, Библиотечная пл., 2, ЛГУ, факультет Ш-ПУ, ученому секретарю специализированного совета Чернышеву A.A.

Автореферат разослан

"it.

¿¿/¿А'.с.Ч 1991 Г.

А.А.Чернышев.

Ученый секретарь специализированного совета К 063.57.48,

доцент ^

V . V "" / ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ '

«.'.У,

Актуальность исследования. Необходимость повышения качества управления технологическими процессам в промышленности, энергетика, транспорте (суда, корабли, платформы) обусловлена возрастающими требованиями к эффективности, нивучести п надежности объекта в целой. Техническая реализация данной задачи во многом определяется совершенством алгоритмов, реализуемых системами управления. Существующие в настоящее время системы управления технологически-ш процессами в энергетике, обеспечивая в целом многие требования по надежности, маневренности, готовности, эффективности, не обеспечивают реализации технических возможностей энергетических установок (ЭУ) в полном объеме.

Отсутствие инженерных машинных методов идентификации конструктивных параметров, например, теплоэнергетических объектов, приводят к тому, что еще на стадии проектирования необоснованные решения ебодятся в структуру и средства систем управления.

В связи с вышеизложенным разработка алгоритмического и программного обеспечения процедур иденмйихацет и оптимального управления технологическим и энергетическим процессом и технически.® средствами является актуальной задачей для промышленности ■ и транспорта.

Тематика исследований связана с планом научно-исследовательских работ Ленинградского ВЕЫИУ им.В.И.Лвнина.

Цель работа. Разработка и совершенствование на единой ал- • горитмической основе аффективных программно-реализуемых машинно-ориентированных методов исследования идентификации и оптимального управления динамическими объектами технологических процессов (в приложении к судошм энергетичес :им установкам).

Научная новизна.

1. Экспериментально обоснован метод последовательной идентификации.

2. Разработан универсальный матричный подход к реализации операционного алгоритма идентификации динамических объектов любой размерности.

3. Определена на основе теории гишшрования(вычиолитолы. ;го) эксперимента регрессионная зависимость коэффициентов влияния от

параметров динамической модели для процедуры идентификации по алгоритму Красозсного A.A.

4. Разработан квазиопишаиыый алгоритм управления реверсом паротурбинной установки.

Практическая ценность. На основе предложенных в диссертации методов, алгоритмов и программ:

1. Разработано программное обеспечение для реализации матричного алгоритма идентификации.

2. Предложены технические решения по реализации квазиопта-мальной системы управления реверсом паротурбинной установки на основе микропроцессорных средств.

Эти решения доведены до машинной и микропроцессорной реализации и использованы для проектирования разработки систем управления динашчосними объектами при выполнении научно-исследовательских работ Ленинградского ВЕШУ имени Б. И.Ленина.

Атообзшзд таботц. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на УП Всесоюзной конференции по автоматизации судов в 1989 г. (Ленинград), на семинарах НТО Судпрома "Алгоритмическое и программное обеспечение , микропроцессорных систем управления судовыми техническими средствами" в 1987 г.,. 1988 г., 1989 г., на научно-технических конференциях ШС Ленинградского ВН.ЕГУ им.В.И.Ленина в 1987 г., 1989 г.

Публикации. Основные вопросы, рассмотренные в диссертации, изложены в 1С работах (2 статьи, 3 отчета, 5 материалов и докладов на конференциях).-

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и приложения. Содеркит 150 страниц основного текста, 16 таблиц, 24 рисунка, список литературы включает 103 наименования. Материал, помещенный в приложении, изложен на 63 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

go введении обоснована'актуальность проблемы и выбранного направления исследования, сформулирована его цель, изложены основные научные результаты, вшюсимыо на защиту.

В первой глава выполнены экспериментальные исследования

о целью определения возможности идентификации параметров энергетической установки и на основа планирования эксперимента проведено определение значений весових коэффициентов в алгоритме идентификации. В качестве объекта исследования была принята паротурбинная установка (ПТУ).

Динамическая модель ПТУ как объекта управления представлена в виде системы уравнений первого порядка, разделенных относительно первых производи« фазовых координат в пространство состояний

+ $ .

где X - вектор фазовых координат объекта,

^ - вектор отклонения управляющих органов, £ - вектор внешних воздействий,

- некоторые непрерывные дифференцируете функции векторных аргументов X и /< . В состав математической модели входят девятнадцать нелинейных уравнений (разработка Кировского завода).

Указанная модель по своои сложности не позволяет эффективно производить идентификацию существующими методами ее отдельных параметров из-за большого объема вычислительных процедур и отсутствия работоспособных алгоритмов идентификации. В главе I осуществлена проверка возможности идентификации для упрощенных математических моделей 2, 3 и 4-го порядка, полученных в результате линеаризации исходных нелинейных уравнений с целью исследования их эффективности и возможности прикладного применения дая оптимальных объектов.

Оценка реализуемости процедуры идентификации произведена на основе использования алгоритма Красовского А. А. - беспоискового локально-опгпыального алгоритма идентифхщации адаптивной модели.

Апробация л обоснование типа тс зтового сигнала (п.1.3) проведена для гармоничаского (симметричного), периодического (односто-роннэго) вида- Определено, что в качестве пробного сигнала монет быть использован сигнал синусоидальной формы с периодом от 3 с до ' 13 с, амплитудой ± 0,2; 0,4; 0,8, как болэо доступный с точки зрения реализации. Данный результат подтвержден более 120 вычислительным: 'экспериментами для моделей различных размерностей. Учитывая, что зависимость расхода пара от перемещения рабочего оргг-?а сервомотора носит нелинейный характер, была проведена проверка тестируемого сшл.-гла в насннусовдзльной форме (фор,и порлодическач /односторонняя,/;.

Результаты вычислительного ¡эксперимента по идентификации на основе'принятого тестового сигнала для моделей представлены на рис. 1-4, которые показывают возможность идентификации как одного, так и нескольких параметров модели. Врет и характер идентификации существенно зависит от значений весовых коэффициентов, выбор которых производился методом проб й ошибок. Подбор весовых коэффициентов довольно трудоемкий процесс (от 2 до 100 часов для модели) и к настоящему времени отсутствуют инженерные методы для их определения.

В работе впервые для определения значений весовых коэффициентов в алгоритме Красовского A.A. использован метод планирования эксперимента. При этом выяснено, что необходимо учитывать не только само значение коэффициентов, но и их отношения.

В п.1.4 на основе дробного и полного факторного эксперимента для обеспечения достоверности получаемых результатов составлены таблицы планирования эксперимента, матрицы планирования, которые служат основой для получения уравнений регрессии, где независимыми переменными являются значения параметров модели и их отношения.

Уравнения регрессии рассматриваем в виде неполного квадратного полинома, включающего свободный член, линейные эффекты и эффект двойного взаимодействия:

У = &о + ßtXi 1- &гХг + 6}Xi + $4X<Xt + . + iiXiX, + ieXsX} &гХ<Ыз

где X>°Qmu ,Хг=йтг - независише переменные,

характеризующие параметры ПТУ на отклик.

В результате численного эксперимента для уравнения регрессии, где независимыми переменными являются абсолютные значения параметров модели ПТУ, подучены следующие значения коэффициентов рогрес-сии: ¿о = 4,182, Si = 0,491, ßz = 0,036, вз = 33,173 , 6* = -0,023, Ss = -9,166, 6б = -1,588, ßr = -5,409.

После проверки значимости коэффициентов уравнения и их адек-птности искомое уравнение регрессии имеет вид

У ~ 4, № + 35, mXi - f,5SSXiX3 - 5,400X, XtXs

Анализ^получен;шх в работе реграссиошшх моделей подтвердил справедливость принятых допущений и для моделей 3, 4 порядков.

Втотая глава содержит результаты разработки матричного операционного алгоритма, програлмюго рбоспочешш его реализации и ме-

тода последовательной идентификация.

Реализация операцдопного локалыга-оптшлалыюго беспоискового алгоритма Красовского A.A. по идентификации независимо от сложности модели сводится к численному тггегрированию дифференциальных уравнении модели, дифференциальных уразнений чувствительности и построении И -квадратур для определения компонент вектора параметров модели. Дня любой слсшюсти модели в данный алгоритм входят решения следующих нжхе уравнений в скалярной форде:

- уравнение настраиваемой шделн

хГ + zag хГ = zб?РиР + ZСи i" ,

- уравнение чувствительности модели

£ci-j + Z d^Jf йа-ij ~ ~ Xj ,

¿ftp + Z Cttß = Xt/i Up

Sei. t +■ lüyuiut =

- уравнение настрой;» парашзтров модели

ülj =-TaKiij$£tij pn(X*rXi) ö-p ~-JG кup ieipß^i^-x*} Си = -To Kiil, £ät ß» (Ш-XiJ гдз Xi - элемент пространства состояний размерностью п xl,

<2? - элемент патрицы кооумшдшштов 4 й размерностью Л х м t - элешнт матрицы мэщфациентов ß" при управлении И

м размерностью пищ , Cte - элешнт катрпда коэффициентов С" при возчущапцем §

размерностью п*к , ОС - символ Крононора,

коэффициент, опроделявдкй вл-шпие невязки. Значения 7Ь , Ka.ij, KSip, Kcit,ß</v определяются, исходя из особенности вдвнти^тлдорушой модели.

В работе предлагается алгоркти автоматизированного построения система дафферекциальшгх. уравнении дся реализации алгоритм Красов-сгого a.a. с лобой шдальв П -порядка. Принцип автокатизированно-го синтеза снссеш даЗ&юренцаалькцх уравнений. в этой случае осно-__вая пп идр.г1тт^оета-правцх-чайтей-рассгатр-1шс^огольтгор1(тшу~лег-^ ко акализируешго на ЭШ, т.к. основой операций расчета является операция над матрицами (слогшсе ушоленив на коэффициенты, транспонирование и другие). Сочетание продаже шюго способа формирования правых частей систем! дафуеренциалвшсс уравнений с локально-

оптимальным алгоритмом ддеятификацяи представляет собой матричный операционный алгоритм, блок-схсма которого показана на рис.5.

В матричном операционном алгоритме идентификации реализовано вычисление правых частей системы дифференциальных уравнений с по-мощыэ матричных операций без их формульного выражения.

Программное обеспечение реализации предлояенного метода состоит из двух частей: голоеной процедура и специальной подпрограммы. Головная процедура предназначена для ввода начальных условий, организации цикла по текущему времени (ГО) и по времени релаксации (ТО.). Специальная подпрограмма формирует правое части системы дифференциальных уравнений.

Проверка работоспособности матрггаого операционного алгоритма проводилась с помощью тестовых сигналов, описанных в главе I, весовые коэффициенты рассчитывались по предложенной методике в главе I. Вачислителышй эксперимент по проверке работоспособности матричного алгоритма идентификации проведен для моделей различного порядка.

В 2.4 на основе экспериментальных исследований сформирована методика последовательчой идентификации; сложных динамических объектов корабельной и судовой энергетики, основным положениями которых являются следующие этапы:

- проверка возможности идентификации параметров модели при произвольно?.: изменении весовых коэффициентов,

- определение спорных коэффициентов при предварительном исследовании модели для оценки рассматриваемой подели,

- предварительная оценка палпости и влияния весовых коэффициентов на время пдептпфаиащш,

- экспериментальная оценка параметров регрессионной модели для определения весовых кооф&щиентог в уравнениях настройки параметров модели,

- проворна соответствия принятых коэффщиентов модели истинным,

- проверка наИдеиних параметров динамической модели по результатам экспериментальных данных,

- формирование массива параметров модели для выработки оптимального закона управления.

Третья глава содержит описание вычислительного оксперимигга по определению закона оптимального.уравнения ПТУ при реверсе на основе алгоритм." ¡.пташзации с прогнозирующей моделью и разработку структуры микреч гессориоП подсистемы блока программного управления реверсом установки.

3 адонис (Z ношьных yc/ioíuü

Ао, ßo. Со, Хо, Со

и

У

XÏ

с»

AI В". С".

Формирование ТГ прсфыt частей фешюи новели и их peheuüt

се

Вычисление Ii матрицы

£

-U Вычисление |£ Mûmpuu, AXZßXl.CXZ ФормирвВом^ МОтриц Vt/ltmbumamcti

Та. К

ФоршроВонйё Í£ правых частей ФбВнении Hccîpola модели им ptneuue

Л.

fr

йГ.

ГГ-2--р,

¡panuionu-\L hotOHue 'мотрйць/ А

Вычисление

МСтрии

сх

V

у

ФормироЫчие |/о пробы/ иостей — faубиений -VVd cnHuptJBbMOCftr-и ut &t'a/et/u е.

Тле. 5

В главе рассматривается задала синтеза системы управления на основе алгоритма оптпшзация с прогнозирующей моделыэ для рассмотренной динамической модели.

Учитывая слокаость программной реализация алгоритмов оптимального управления для тчпажпоапото эксперимента, использовано численное дифференцирозанпе для определения управляющих воздействий.

Блок-схема алгоритма с прогнозирующей поделыо и чизлешшм дифференцированием представлена на pic.б.

Оятазлальше управления для решения задачи имеют вид:

Uj = U/on- KjZ

Шбор функционала для нахоядення закона управления оптимальной система управления частотой врацсшгя паротурбинной установки цри реверсе состоит в слсдукцем:

- в качестве исполнительных органов яа период переходного процесса в синтезируемой системе попользуются клапана переднего и заднего хода,

- в качества главной цели принято соблюдение грзбуеыого времени маневра и ограничении на изменение давления пара в заданных предола^.

Исходя из эта полохений формулируется функционал обобщенной

где - вевгор установок систеш управления.

В обозначениях динамической ПТУ модели ПТУ функционал имеет

ВИД о ' _$ 2

Qf = ZfiAX/->(ff= рт(Пг-Пта) -h Ьтпх(ртпх - Prn*f-h

+ р'ы (Рг,х - P»x)'+fip ml, -t

+ fitMnU*+ Ç>(p>"x)UD

(РГУ + ГиКЩ-)г + (S?)' +/Л (Ub°')z

В шракения (I) член Пт • П*а3 определяет установку регудя-тора частоты вращения, которая регулируется за счет_упсавля:-:,пх воздействий Un* и Ihx . Члены (Рпг-Р.ч» ) и (Pm*-£W. ) определяют заданные значения давления пара в паровых обт-е?.пх т/рбиц переднего и заднего хода. Остальные члены (Xi-Xf ), з;.;од.-£пе в

- ID -

T::c. Í

функционал, отрзяаит качество упразлэния по воем параметрам установки.

Экспериментальная проверка показала, что использование "принципа paEiiHX вкладов" по обоспгчпзаег эффективной оштаязсцж для ШУ при еа управления по данному йункцнопалу. Злкслптельшй эксперимент бия проведен для веек допустимой области изкоконня в продолах от 0,1 - 2 згаадого из нл:-:, ряс.7, 8. Анализ этих исследований позволяет утверждать, что вклад каядого из управляет?« отклонений более весом, чем по отклонениям параметров установки. Для рассматриваемой систем! реверса установки было определено, что для обеспечения заданной цели управления необходгzr.o принять = 1,5 при fil = I ( 1 гт I, 2, ... 12, 13, 14, ... /г), ряс.9.

В работе предложено дая упрощения технической реализации система использовать прп ровере ах ходов блок програмшого управления. Работа программного блока заполнена по следущеьу алгоритму. Для реверса с переднего ::о~а на задний - г,лакая заднего хода открывается и выводятся па упор. Перемещения клапана переднего хода регулируется сигналом, лостуяаищзл с датчика давления паровой магистрали. При этом сигнал управления пропорционален отклонен?*) давления пара в паровой магистрали от заданного положения. Как вддпо из рис. 10, лорзтдзшге клапана происходи? в рзааие, близком и автоколебательному. Тезиитссзая реализация r.rœpc процессорного • блока управления реверсом произведена на контроллере KI-20.

ОСЕОШНЕ ШНШ

В диссертационной работе выполнены теоретические и экспериментальные исследования на Sffl методов идентификации и оптимоиг,-ного управления сяояннки яане'&шма и иелЕшейшки динамические объектами теплоэнергетики.

При. этом талучеик следуюдао результата :

I. Анализ теоретических работ, зкспер::мзн?алътгх дошазс эксплуатации слоеных даяакичеекпх объектов (ПТУ, ИУ, ДЗУ) и технических решений обнчннх л элозгеронках спетом зпразлоапа судовмми энергетическими установками показал, что в настоящей i-peui отсутствует требуемое инязиерпоз алгорззшчзское крогра:.шсо'обеспеченно для нахождения законов оптимального управления в игроком стреле я позволил лредкшггь з качестве оснозпого пдада лрх.шстс'.з беспоискових алгоритмов идеккзфгкздш и овтиг.стац;г.1 я разработать

Peo. 7 Рис. 8'

Püc.O

инженерные решети, реализуемые ка существующих микропроцессорных средствах. Сформировано и составлено алгоритмическое обеспечение оптимального управления слоеным динамическим обг истом (паротурбинной установкой) е реаиме реверса на основе алгоритма опта,изации с прогнозирующей моделью, что явклось новым решением задачи оптимального управления по функционалу обобщенно!! работы Красовского A.A. применительно к управлении ПТУ.

Данный подход к оптимальному управлению динамическими объектами, кроме сказанного, позволяет решать задачи исследования аварийных ситуаций .при управлении техническими средствами.

2. Еазработач магричяо-операционный алгоритм идентификации слоаных динамических линейнкк мсдзлзй любой размерности. Существенная новизна этого метода состоит а возможности программного (аналитического) определения конструктивных и теплоэнергетических показателей автоматизируемых объектов практически без ограничений и получено решение задачи.

3. На основе вычислительного эксперимента предложен метод последовательной идентификации параметров динамической модели корабельных технических срэдсгз, обеспечивающей требуемую точность идентификации. ....

Исследования автора позволяли сформулировать рекомендации по количественному определен™ коэффициентов влияния в алгоритме при проведении идентификации. Выяснено влияние вцда и типа моделей объектов на процедуру идентификации (лилейные л нелинейные объекты, неустойчивые и кейгралькке объекты).

4. Проведены экспериментальные исследования на ЭВМ по реализации различных вариантов коэф&щиентов влияния интегрального принципа оптимизации при управлении реверсом ПТУ, анализ которых привел к получении закона изменения подачи пара во времени при различных рекшах и нагрузках. Полученный закон изменения полоке-ния регулирующих органов во времени представляет собой квазиоптимальный закон регулирования реверсом.

5. Получены конкретные рекомендации по идентификации объектов 2, 3, 4-го порядков применительно к ПТУ с исполнительными механизмами и без них.

6. Сформированы требования к характеристикам МПС для реализации алгоритма оптимального управления динамической нелинейной моделью и алгоритма идентификации для различной сложности объектов.

7. Теореыческиэ ссноеы работу.являются обвини и могут бить распространены ка другие тшн объектов, например, газовыэ турбины, дизеля, парогенератора и другие.

8. Результаты работу использованы:

- при разработке программ управления в системах управления ПТУ ка микропроцессорах серии 580,

- при разработке типового технического задания на изделие ЩС систем в азанпрсехте в ЦВИК.!Ф,

- для оценки э |гхег: тевзости разработанное системы управления ПТУ на ци^роаналоговом микропроцессорном комплексе в ЛВШУ им.адмирала С.0.Макарова.

ОПУЕС'КОЗАНЖЕ РАБОТЫ ПО ТЕДЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Турбин И.Ч., Баскаков Л.В., Логинов Г.Ю. Алгоритмическое ' обеспечение систем управления слохнкми энергетическими объектами./ Сб. "Проблемы повышения эффективности судовых энергетических установок" - Горький: ГЕИ, 1988, сЛСЗ-107.

2. Туркин И.И., Еаокаков Л.В., Звонцов В.А., Логинов Г.Ю. Кценга^зкация и математические модели непрерывных процессов в технических средствах./ Сб. "Проблемы повышения эффективности судовых экергс„пчэсхкх установок" - Горький: ГНИ, IS88, e.III-II4.

3. Фраздев Р.Э., Баскаков Л.В., Логинов Г.Ю. Тезисы доклада "Пакет прикладках программ для многоцелевых систем управления корабельными коглоагрегагаии"/ Сб. "Тезисы докладов НТК ПЕС ЛШЛИУ ем.В.И.Ленина" - Л.: ]ЩШ, 1287, с.87.

4. Францев Р. Э., Логинов Г.Ю. Тезисы доклада "Операпдонно-матр;и:шл метод эд&нти-Ьихаий'и динамических моделей КТО"/ Сб. "Тезисы докладов НЕС !ШС ЛВЖ!ГС вм.В.И.,1енина - Л.: ШШ!У, 1339,

с. 73-74.

5. Логиков Г.Ю. Тезисы доклада "Последовательная идентификация динамических объектов"/ Сб. "Тезисы докладов НТК ППС ЛВВМИУ >п.:.3.И.Ленина,- Л.: ЛВН.Я0', I98S, с.74.

6. "ранцев Р.Э., Логинов Г.Ю. Тезисы доклада "Модцрпцарозан-елгернт:.! и его использование для идентификации параметров

гноргатачзских оода;то5^^0г"Те^сы^.окяадоз-к-ШЧ}сесоюной-ка^ у-гко-тгхкпчеоуои конференция "Проблемы комплексной автоматизация судозцх гехнячесхях ергдетз" - Л.: Судостроение, 1989, с.31-32.