автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Формирование оптимальных алгоритмов управления и функционирования автоматических систем сельскохозяйственного производства

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В.П. Горячкина

На правах рукописи

КИРИЛИН НИКОЛАИ ИВАНОВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ

АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических

процессов и производств (по отраслям АПК)

ация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: академик РАСХН, д.т.н., профессор И.Ф. Бородин

Москва 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

Цели и задачи автоматизации сельского хозяйства 3

Цели и задачи теории автоматического управления 5

Задачи синтеза систем автоматического управления с.-х. процессами 5 ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ МЕТОДОЛОГИИ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

ПРОЦЕССАМИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА 10

1.1. Постановка задачи исследования 10

1.2. Классификация САУ 11

1.3. Анализ теории расчета динамики с.-х. систем автоматики 39

1.3.1. История развития теории расчета систем 39

1.3.2. Анализ содержания методов исследования динамики с.-х. систем автоматики 46

1.4. Анализ методологии исследования качества работы САУ 75

1.4.1. Точность работы САУ 77

1.4.2. Анализ точности работы САУ в установившемся режиме 80

1.4.3. Определение запаса-устойчивости и быстродействия САУ 80

1.4.4. Интегральные критерии качества работы САУ 83

1.4.5. Чувствительность САУ 85

1.4.6. Анализ методологии улучшения качества работы САУ по отдельным параметрам качественных признаков (оптимизация САУ по отдельным критериям) 86

1.5. Методологические проблемы теории расчета систем с.-х. производства 89 1.5.1. Проблемы использования математики в теории расчета систем 93

Выводы по главе I 110

Цель и задачи исследований 111 ГЛАВА II. ИДЕНТИФИКАЦИЯ В СИСТЕМНЫХ МЕТОДАХ ИССЛЕДОВАНИЯ

ДИНАМИКИ ПРОЦЕССОВ 113

2.1. Свойства и формы представления аналитических функций 114

2.2. Идентификация методологии получения обобщенного уравнения динамики

системы и его качественных признаков 126

2.3. Идентификация внешних входных воздействий 129

2.4. Приведение случайных стационарных входных воздействий к типовым сигналам 138

2.5. Идентификация случайных нестационарных процессов 143

2.6. Идентификация процессов и объектов управления 149 2.6.1. Пример идентификации процессов в с.-х. теплотехнических объектах 156

2.7. Идентификация систем автоматического управления сельскохозяйственными технологическими процессами 163

2.8. Типовые звенья САУ 164

2.8.1. Позиционные звенья 166

2.8.2. Интегральные звенья 174

2.8.3. Дифференцирующие звенья 179

2.8.4. Неминимально-фазные устойчивые линейные звенья 183

2.8.5. Модулирующие звенья 185

2.8.6. Звенья релейных элементов 191

2.8.7. Дискретно-импульсные звенья 197

2.8.8. Анал ого-кодовые преобразователи 203 Выводы по главе II 211

ГЛАВА III. ЕДИНАЯ МЕТОДОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ

АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ 214

3.1. Методология определения оптимальных алгоритмов управления

и функционирования в одноконтурных аналоговых САУ 214

3.2. Оптимальность алгоритмов САУ при случайных входных воздействиях 231

3.3. Формирование оптимальных алгоритмов управления 236

3.4. Оптимальность алгоритмов управления и функционирования ДИСАУ 251

3.5. Формирование оптимальных алгоритмов управления и функционирования

в многосвязных системах управления 259

3.6. Инженерный метод проектирования оптимальных с.-х. систем автоматики 266 Выводы по главе III 271

ГЛАВА IV. ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОЙ МЕТОДОЛОГИИ

ОПТИМИЗАЦИИ БОЛЬШИХ ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ 274

4.1. Методология формирования оптимального технико-экономической системы управления процессами расширенного воспроизводства и распределения товарной с.-х. продукции 278

Выводы по IV главе 295

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 296

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 301

- 3 -ВВЕДЕНИЕ

Цели и задачи автоматизации сельского хозяйства

Сельское хозяйство представляет собой сложную и специфическую отрасль производства со случайными многофакторными процессами, не приспособленными к полной автоматизации вследствие того, что технологические машины соприкасаются с биологическими организмами и не отвечают требованиям непрерывности, ритмичности и др. Техника обычно рассредоточена на больших площадях, имеет относительно малую мощность, тихоходность, сезонность работы во времени с низким коэффициентом использования.

Уровень автоматизации с.-х. производства ниже, чем передовых промышленных отраслей. В целом ряде случаев автоматическим системам отводится вспомогательная роль. Например, при автоматизации мобильных процессов (вождения агрегатов по полю, положения рабочих органов машин и т.д.) автоматические устройства только снижают утомляемость оператора, но не высвобождают его из процесса управления. Более успешно осуществляется автоматизация стационарных процессов в животноводстве и птицеводстве, защищенном грунте, в послеуборочной обработке и хранении с.-х. продукции [105, 107].

Однако планомерная и последовательная интенсификация сельского хозяйства, повышение его технической оснащенности, комплексная механизация и электрификация, достижения науки, практики и успехи развития передовых отраслей промышленности создают предпосылки для дальнейшего и более полного развития автоматизации с.-х. производства.

Полное удовлетворение общества и промышленного производства продукцией сельского хозяйства - непременное условие социально-экономического прогресса страны, дальнейшего укрепления и повышения эффективности агропромышленного комплекса. Для этого предстоит завершить перевод сельского хозяйства на индустриальную основу, повсеместно внедрять научные системы ведения хозяйства, высокоэффективные ресурсосберегающие технологии, улучшать использование и повышать плодородие земли, добиваться значительного роста урожайности всех с.-х. культур и продуктивности животноводства, укреплять кормовую базу, обеспечивать устойчивость с.-х. производства, ослаблять его зависимость от неблагоприятных природно-климатических условий, исключать потери выращенного урожая.

В достижении стоящих перед агропромышленным комплексом целей и задач большая роль отводится автоматизации, которая является одним из важнейших условий технического прогресса [29].

Использование систем автоматического управления новой техникой и технологами являются важным фактором облегчения условий труда, роста его производительности и улучшения качества с.-х. продукции [4, 13]. Поэтому дальнейшее развитие сельского хозяйства требует создания автоматических систем управления отдельными режимами, операциями, технологическими процессами и всем производством. Следует иметь в виду, что темпы и уровень автоматизации определяются непрерывностью, технологичностью и ритмичностью производственного процесса. С этой точки зрения производственные процессы можно разделить на два вида:

- производственный процесс непрерывный в силу своей физико-химической и технологической природы (производство электроэнергии, переработка и контроль качества с.-х. продукции и др.);

- производственный процесс, для которого непрерывность достигается путем его организационного построения с помощью автоматических систем (выращивание урожая на искусственных средах, производство кормов и др.).

В теорий и практике автоматического управления производственными процессами в сельском хозяйстве можно выделить три стадии развития.

1. Автоматическое управление простейшими детерминированными объектами, у которых выходные характеристики являются регулярными функциями [107, 127].

2. Автоматическое управление сложными многомерными процессами, где осуществляется контроль состояния большого числа управляемых координат при наличии множества помех. На второй стадии задачей управления является стабилизация параметров на фоне помех [105, 107, 119].

3. Развитие гибких автоматизированных систем с применением робототехники, манипуляторов. С их помощью создаются высокопроизводительные поточные линии, цехи, заводы-автоматы. При создании таких систем используют иерархические принципы управления (соподчиненности).

Цели и задачи теории автоматического управления

Сущность теории расчета систем автоматического управления определяет системный подход как методологическое направление научного познания и социальной практики. При системном подходе анализируемый процесс представляют системой, раскрывающей единство, целостность направленного действия в сочетании с многообразными обратными связями, сведенными в единую аналитическую структуру. Системный подход обеспечивает системный анализ, представляющий собой единую совокупность методологических и математических приемов, направленных на более строгое обоснование однозначных решений сложных научно-технических проблем по управлению с.-х. процессами производства. Основой системного анализа является построение обобщенной модели, отображающей взаимосвязи реальной ситуации.

Цель теории автоматического управления - обеспечение единого решения задач по расчету и реализации устойчивой оптимальной структуры системы автоматического управления, выполняющей технологический процесс с наименьшими потерями и наилучшими качественными признаками на базе серийного современного оборудования при соблюдении следующих положений [11, 13, 263]:

- каждая система автоматического управления с.-х. процессами должна иметь четкую цель и предельные параметры, к которым она будет стремиться;

- каждая САУ с.-х. процессами должна обладать свободой выбора траекторий движения к достижению цели;

- оптимальность траектории движения должна обосновываться числовым значением приоритетного технологического критерия;

- оптимальное управление должно в полной мере обеспечиваться энергетическими ресурсами;

- оптимальное функционирование САУ требует полноты информации.

Задачи синтеза систем автоматического управления с.-х. процессами

Из библиографического списка литературы, приведенного в диссертации, видно, что соискатель занимается вопросами синтеза систем управления с.-х. процессами, включая системы регулирования параметров микроклимата [103105, 107, 113, 117-119, 122, 126, 127, 131, 134-136, 143], электроснабжения и за-

щит асинхронных электродвигателей от перегрузки [99-102, 137-140, 146], загрузки рабочих органов картофелеуборочных агрегатов [109, 144, 146-148, 151, 152, 155, 174, 178, 179, 184], разработку электронно-оптических устройств контроля качества с.-х. продукции в БИК-области: отделения картофеля от комков почвы и корней [109, 110, 117, 118, 174, 181, 187-190, 192-196] и сортового семенного картофеля из общей массы собранного урожая [109, 110, 114, 155, 160, 166-168], отделения гнилых клубней картофеля и лука из общей массы урожая [114, 121, 136, 150, 153, 160, 162, 163, 171, 178-180, 191], экспресс диагностики заболевания животных маститом в ранней скрытой стадии [113, 164, 197, 200] и измерения малых концентраций питательных веществ в водных растворах [201-226].

Оригинальность принимаемых решений по указанным темам защищена 17 авторскими свидетельствами на изобретения и патентами Германии и Великобритании.

Изложить результаты по вышеприведенным разработкам не представляется возможным в данной диссертации. В работе акцентируется внимание на решении наиболее трудной проблемы разработки САУ с.-х. назначения - формировании оптимальных алгоритмов управления и функционирования.

Основное содержание диссертационной работы представлено в четырех главах.

В первой главе раскрывается содержание и проблемы существующей методологии исследования динамических режимов систем управления с.-х. производством. Представлена классификация систем сельской автоматики по девяти различным классификационным признакам, которая раскрывает все их многообразие и этапы развития. Исследуется общая теория систем, которая вбирает в себя системотехнику, теорию операций и, собственно, теорию исследования динамических систем, куда входят теории линейных аналоговых систем управления, дискретных (релейных, дискретно-импульсных, цифровых) систем, расчета параметров систем при случайных воздействиях и процессах, теория инвариантности систем.

Анализируются методы определения устойчивости, качества работы, оптимизации систем с.-х. автоматики (И.А. Вышнеградского, А.М. Ляпунова, Рауса, Гурвица, Найквиста, Михайлова, Боде и другие).

Проанализированы и намечены пути решения проблем методологической, математической, информационной, устойчивости, качества, оптимизации, кибернетической, технико-технологической.

В заключении первой главы сформулирована цель диссертационной работы.

Во второй главе рассматриваются вопросы идентификации в системных методах исследования динамики процессов с.-х. производства: математических форм представления уравнений, методологии получения характеристического уравнения движения системы, входных задающих и возмущающих воздействий. Отмечается, что идентифицируемая модель не всегда отражает внутренний механизм физических явлений, проходящих в объекте (вероятностные модели). В таких моделях связь между входом и выходом объекта управления представляется формально в виде корреляционной или спектральной характеристик.

Подчеркивается, что при формировании САУ с.-х. процессами прежде всего необходимо отразить цель управления в виде задающего воздействия g(t), затем сформировать алгоритм управления u(t). В работе отмечается, что цель управления определяется требованиями к технологическому процессу, а закон управления - структурой объекта, алгоритмом его функционирования и характером возмущающих воздействий окружающей среды. Рассматривается идентификация простейших аналоговых, релейных, цифровых, дискретно-импульсных, модулирующих типовых элементов, трех видов аналого-кодовых преобразователей приведены их характеристики.

В третьей главе излагается методология формирования оптимальных алгоритмов управления и функционирования всех видов систем с.-х. автоматики (аналоговых, дискретных, одноконтурных, многоконтурных, с независимыми и взаимосвязанными параметрами, работающих по принципу отклонения, возмущения, их совокупности, по иерархическому принципу), как при детерминированных, так и при случайных входных воздействиях.

Сформулировано более строгое понятие критерия оптимальности.

Показано, что предложенная методология отвечает условиям непротиворечивости, необходимости и достаточности, требованиям качества переходных процессов и соответствует постулатам классической методологии.

Идентичность и непротиворечивость разработанной и классической теорий определяют единый вид структурных схем систем и их обобщенные уравнения алгоритмов функционирования по управляемому параметру и по функции ошибки.

Определен расчетный оператор оптимального управляющего устройства.

Показана его реализация, осуществляемая с помощью передаточной функции регулятора, в которую введены корректирующие звенья. Они устраняют ис-

кажения динамических характеристик, вносимые датчиками, исполнительными механизмами и т.п.

Отмечается, что алгоритмы функционирования по управляемому параметру или по функции ошибки формируют так, что их характеристические уравнения имеют кратные корни, значения которых определены только численной величиной критерия и не зависят от параметров элементов объекта управления и управляющего устройства, обеспечивает однозначность и единственность решения задачи оптимизации не противоречит условиям устойчивости по методам А.И. Вышнеградского, А.М. Ляпунова, Хевисайда, Гурвица, Раусса, Найквиста, Михайлова и др.

Рассмотрены примеры формирования и реализации оптимальных алгоритмов управления и функционирования в одноконтурных и многоконтурных аналоговых и дискретных структурах с различными операторами объектов управления и критериями (при у=0, 1, 2, ..., я), в которых отсутствуют порог и зона

нечувствительности. Полученные результаты расчетных оптимальных алгоритмов управления сведены в таблицы, удобные для последующего использования.

Излагается методология формирования оптимальных алгоритмов управления и функционирования на конкретном примере системы взаимосвязного управления температурой и влажностью с.-х. теплотехнического объекта (ТО) (инкубатор, теплица, животноводческое помещение). В этом случае наряду с принципом «от общего к частному» использован принцип инвариантности (автономности).

Четвертая глава посвящена обсуждению возможности использования разработанной методологии при оптимизации больших иерархических систем управления с.-х. производства.

В качестве примера предлагается методология формирования оптимальных алгоритмов управления и функционирования технико-экономической системы с.-х. процессами расширенного воспроизводства и распределения товарной про