автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Исследование многошаговых алгоритмов оперативного управления транспортированием воды и их реализация в АРМ-водораспределение

КЫРГЫЗСКИЙ ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА" СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЖЕНИ К.И.СКРЯБИНА

На правах рукописи СА ЛОВА Тамара Львовна

УДК 626.810:519.68:658.5

ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОШАГОВЫХ АЛГОШТЬ.ОВ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЕМ ВОДЫ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ В АШ-ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ

Специальность 05.13.07 - автоматизация технологических пропессов и производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бишкек 1991

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте комплексной автоматизации мелиоративных систем.

Научный руководитель - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ШШЕЛЬ Е.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук P0SH0B В.А.,

кандидат технических наук РАХМАНОВ Дк.

Ведущая организация - Научно-производственное объединение УкрШЯГиЫ

Защита состоится " £о" декабря 1991 года в /у часов на заседании специализированного совета К 120.77.07 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Кыргызском ордена "Знак Почета" сельскохозяйственном институте имени К.К.Скрябина (720453 ГСП, г.Бипасек, ул.Коммунистическая,68).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кырг.СХК.

Автореферат разослан ноября IS9I г.

Ученый секретарь специализированного совета

Е 120.77.07, кандидат технических наук, л £__-

доцент В.Ф.Талмаза

ОЩАЯ ХАРАКТЕН'СТОКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с повсеместным переходом к платно^ водопользованию и развитию рыночных взаимоотношений между поставщиками и потребителями водных ресурсов повышаются требования к качеству (точности, своевременности, оперативности и ритмичности) водоподачи. Выполнение этих, требований возможно только при условии высоко!! степени автоматизации технологических процессов Еодогабора, транспортирования и распределения воды с использованием современных, экономичных и надежных технических средств. В последш'-е годы в отрасли все более широко начали использоваться технические средства автоматизации ноео-го класса на базе персональных ЭЖ, в частности, программно-аппаратные комплексы "Автоматизированное рабочее место диспетчера оросительной cr.ctet.ai" (АШ-еодораспределение) с использованием персональных микро-ЭЖ, сопряженных с телеавтоматикой (разработка ВНШШ!С).

Наиболее сложным и наукоемким элементом АН/1 является задача оперативного управления Еодораспределением (ОУВ), внедрение которой должно обеспечить повкпение быстродействия и точности управления объектом и, в конечном-итоге, привести к увеличению объемов и улучшению качества водоподачи потребителям, а" также к снижению эксплуатационных затрат. Центральной проблемой при реиении данной задачи, недостаточно исследованной с позшиЯ реализации на базе современных технических средств типа А Е.'-е о до-распределение, является выбор структуры и настроечных параметров алгоритмов ОУВ.

В качестве объекта исследований выбран процесс оперативного управления водораспределением. Данный процесс исследуется для частного, но распространенного класса технологических объек-

■гов - самотечных равнинных каналов, расположенных в зоне неустойчивого увлажнения, с'перегораживающими сооружения!® к резервными емкостями в бьефах. Типичным ганалом такого класса, на примере которого проведено исследование пропесса 'ОУВ в настоящей работе, является Западная ветка Раздольненского рисового кг нала (ЗБРРК) Крымводхоза.

Целью работы является обоснование целесообразности и эфстез тивности использования нового для задачи оперативного управления водораспределением класса алгоритмов, реализуемых в форме централизованных многошаговых оптимизационных процедур в составе АШ-водораспределение.

Основные задачи, решаемые в работе:

1. Анализ современных достижений в области алгоритмизации задачи ОУБ и выявление потребностей в алгоритмах, обладающих ш выми свойствами централизации управления резервами воды и прогноза возмущающих воздействий; постановка задачи исследования применимости известных из линейно-квадратичной теории управления централизованных многошаговых оптимизационных алгоритмов для получения решения задачи ОУВ с такими свойствами.

2. Разработка методики и программных средств для обоснования целесообразности и эффективности применения централизованных многошаговых "алгоритмов, а также для сравнительного исследования различных вариантов структуры и алгоритмического обеспечения задачи ОУВ.

3. Конкретизация структуры и параметров централизованных многошаговых алгоритмов применительно к задаче оперативного управления процессом водораспределения.

4. Исследование эффективности управления при реализации многошаговых алгоритмов ОУВ на базе сравнения системы показа-

телей качества с аналогичными показателя™, достижимыми при использовании известных алгоритмов ОУВ "по верхнему" и "по нижнему" бьефам.

5. Исследование особенностей реализации централизованных многошаговых алгоритмов ОУВ на базе телеавтоматических микропроцессорных комплексов, связанных с наличием временных задержек в процессах сбора информации, расчета и реализации управляющих воздействий и влияющих на качество управления.

6. Разработка программных средств реализации централизованных многошаговых алгоритмов в АШ-водораспределение; проверка их работоспособности в процессе эксплуатации на Западной ветке Раз-дольненского рисового канала (ЕВРЕК) Крымводхоза.

Научная козизна.

1. Предложена методика исследования и сопоставительного анализа алгоритмов ОУВ, основанная на вычислительных экспериментах

с использованием модели неустановившегося движения воды в канале; разработаны программные средства для ее реализации.

2. С использованием предложенной методики проведено обоснование целесообразности и эффективности применения централизованных оптимизационных многошаговых алгоритмов в контуре оперативного управления водораспределением, определены способы настройки параметров данных алгоритмов и их привязки к объекту и также получения конкретных опенок значений показателей качества управления.

3. Выявлено влияние фактора ограниченности быстродействия технических средств реализации многошаговых алгоритмов ОУВ на качество управления; даны рекомендации по учету этого фактора при выборе структуры и настроечных параметров алгоритмов.

Практическая полезность работы состоит в следующем:

для проектировщиков систем оперативного управления водо-распределением - в создании методики и программных средств исследования алгоритмов ОУВ, в разработке каталога, схем проведения и способов обработки результатов вычислительных экспериментов ;

для разработчиков АСУТП водораспределения в создашш программного обеспечения централизованных многошаговых алгоритмов ОУь, в разработке способов их привязки к объекту и настройки, в определении порядка их реализации в АШ-водораспределение;

для слунб эксплуатации оросительных систем - в разработке материалов для -производственной эксплуатации комплекса задач ОУВ в составе АН>!-водораспределение.

Реализация результатов работы.

Разработанная методика исследования и сопоставительного анализа алгоритмов ОУВ включена в материалы по созданию АСНИ процессов управления гидромелиоративными системами (ВННйАке-лиорация, 1987 г.), а такзе в проект пособия к СНиП 2.06.03-85 "Применение средств автоматизации водозабора и водораспределения на оросительных системах" (Ь.пнводстрой СССР, КМЖАкелиора-пия, I9S0 г.).

Результаты исследований использованы в Руководящем докуыен те "Методика выбора структуры и алгоритмов оперативного управления водораспределениек на самотечных каналах с учетом оргени-ченного быстродействия комплекса технических средств" (ï-.инеодхо СССР, БНИККАкелиорация, IS87 г.).

Комплекс програш "Оперативное управление водораспределе-нкеы на магистральных и нехозяйственных каналах с резервными емкостями" и "Комплекс программ анализа и синтеза структур и алгоритмов оперативного управления водораспределением (С0ЫРА21) сданы в Отраслевой фонд алгоритмов и программ.

Разработанное программное обеспечение задачи оперативного управления водораспределением внедрено в составе программно-аппаратного комплекса "Автоматизированное рабочее место диспетчера оросительной системы" (АН«-водораспределение) в опктко-пропзводстЕеннуга эксплуатацию в Раздолъкенском управлении оро-сптель-'ннх систем (ЕУОС) Крытзодхоза. Доля экономического эффекта, приходящегося на комплекс задач-ОУВ, составляет 20 ть:с. рублей в год.

Апробация.

Основные положения работа докладывались на Всесоюзных школах-семинарах "Ьлюгоуровневие системы автоматизированного управления производством" (Киев,. 1583,1888), ХШ Всесоюзной школе-семинаре по адаптивны.! системам (Москва,1566), П и Ш Республиканских конференциях "Методологические и прикладные аспекты автоматизированного проектирования" (Ташкент, 1586,1387), Всесоюзной школе-семинаре "Автоматизация научных исследований и проектирования АСУТП е мелиорации" (Фрунзе, 1588), Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства организации водоуче-та на гидромелиоративных объектах" (Срунзе, 1585) и др.

Структура и объем работы.- Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы (77 наименований), 4 приложений. Основной текст излокен на 15Сстраницах, иллюстрируется 42 рисунка®, дополняется 7 таблицами.

СОДЕР&АШЕ РАБОТЫ

Глаза I посвящена разработке методических основ исследования и сравнительного анализа алгоритмов оперативного управления водораспределением (ОУВ).

Технологическое назначение задачи ОУВ состоит в обеспечении требудмых объемов и качества (точности, оперативности, свое-

временности, ритмичности) водоподачи потребителям в условиях нестационарности реяима транспортирования воды в канале из-за изменений планов водоподачи и действия возмущений. Для каналов исследуемого класса, размещенных в зоне неустойчивого увлажнения, характерны стохастические изменения водопотребления. В этих условиях качество водоподачи в распределительную сеть и в водовыделы, не оснащенные средствами локальной стабилизации расхода, должно быть обеспечено средствам 0Та путем поддержания заданных (технологически целесообразных) уровней воды в каналах за счет перераспределения резервов воды в бьефах.

По результатам обзора достижений в области алгоритмизации ОУВ выделены две группы работ: в первой (Я.В.Бочкарев, П.И.Коваленко, З.Э.ваковский, В.А.Рожнов и их ученики) предлагаются способы децентрализованного управления, основанные на применении локальных систем управления с организацией их взаимодействия по потоку воды (схемы "по верхнему", "по нигнему" бьефам, ■ "с перетекающими объемами" и юс модификации). Основные достоинства данного варианта состоят в его простоте и экономичности, недостатки,- в низком быстродействии системы управления из-за инерционности объекта. В работах второй группы (ВЛ1.Куротченко и ряд зарубенных разработок) представлены способы централизованного управления с применением телеавтоматических комплексов. По сравнению с работами первой группы за счет централизации и прогноза детерминированных возмущений достигается более высокая оперативность управления, однако экономические и эксплуатационные показатели централизованных систем до недавнего времени значительно уступали децентрализованным.

В связи с переходом к использованию нового класса технических средств - персональных ЭЕЫ (ПЭВМ), сопряженных с системами телеавтоматики (АШ-водораспределение), затраты на реализа-

цка системы управления снижаются и обеспечиваются предпосылки к дальнейшему развитию централизованных вариантов ОУВ.

Известны результаты, учитывающие на уровне формальной постановки задачи преимущества централизованного управления: методами линейно-квадратической (ДК) теории управления разработан класс централйзованных многошаговых оптимизационных алгоритмов. Представляет интерес привлечение алгоритмов данного класса для "решения задачи ОУВ, однако требуется специальное обоснование этого в связи с неполным соответствием основных допущений, принятых при синтезе (линейность и конечномерность модели объекта, КЕадратичесгай критерий) реальной задаче управления водорас-пределением.

В работе предложена методика такого обоснования, основанная на сопоставительном анализе совокупности показателей качество ОУВ, достигаемых с использованием централизованных многошаговых оптимизационных алгоритмов в сравнении с аналогичными показателями других известных вариантов ОУВ (РисЛ). Методика базируется на проведении серии вычислительных экспериментов с помощью разработанного комплекса программ "Оперативное управление водораспределением на магистральных и межхозяйственных каналах с резервными емкостями",

Основными элементам методики и, соответственно, блоками программного обеспечения язляются:

1.Феноменологическая модель процессов транспортирования

и распределения воды в канале, кашиннас реализация выполнена в результате численного решения нелинейных уравнений Сен-Венана с применением неявных разностных схем (разработчик Попова Л.К.).

2.Банк алгоритмов ОУВ, содер-т-асий как традиционные алгоритмы, так V. новые результаты форлалЕзагЕИ задачи ОУВ с использованием методов лпнейно-квадраткчесхой теории.

Оыдая схемл проведения ьычислительных экспериментов

КЛАССЫ

0 л. ьнешних

1 ьоэмущеним

Модель системы КОНТРОЛЯ фтноменологмческля модель системы упоАьлени^

модель О&ЪвКТА

СистемА покАзлтелей КАЧССТЬА

3, За За ... 3 щ

блок > ЬЫЬОДА реЗУЛЬТАТОЕ»

экспери -мснтоь у

АНАДИ» рмультлтоь Выработка , ракомснддции

3« • » 4

зь. Ъ2 ... 72 гп

*

7т ... Зпгп

то* ;

•••'■ т_

Р«с. \

(бс1

х-з

ЛинемИАЯ технологмческдя схемд ЗЬРРГС

Я Й

т 5 » Й Ч £

п 3 -я & * а. к

^У.пс-ц?|рр° пс' пс.<.(| пс-лУ> У■, пс

< о

1« -М "«.««л

МС-92'

щ

гк 233 пег 1в

'нс-яг. £

(э нс-40э нс-54

ГХ408

I

1 нс-ео

Рис. 2

ГК 72 гкэо

О - нс §-пс

* - НС-ЧСПУГНИ»

3. Блок генерации возмущающих воздействий.

4. Система показателей качества 05В для сравнения алгоритмов ОУВ, включающая показатели, которые отражают динамику уров-невого режима, и показатели, характеризующие результаты управления в статике (время переходного процесса и статические ошибки). Первая группа показателей отражает точность поддержания технологически-целесообразных значений уровней и характер нарушений минимально- и максимально-допустимых границ (величина допустимого диапазона использована для целей нормировки):

относительное среднеквадратическое отклонение уровней воды в контролируемых стзорах канала от технологически-целесообразных значений:

где и ("¿и) - вектор, компонентами которого являются:

3 ^(^'(И/Су-Н/)/^^- н/""п)

Здесь: ^ = 1,2,..., ^ - номера контролируемых створов; I = 1,2,..., N - номера интерзалов контроля; Ь^(-Ьи) , Несоответственно фактическое и заданное (технологически целесообразное значение уровня воды в ] -м створе в ь -2 дискретный момент времени; ц*та* Ст1П) макСилалъно- (ьшнимально-) допустимое значение уровня воды в ^ -м створе;

относительное среднеквадратическое отклонение уровней воды в контролируемых точках от минимально- и максимально-допустимых значений, выракен зависимостью, аналогичной (I);

относительные значения наибольших отклонений уровней воды от технологически-целесообразных значений:

Зг.тод тох г 1н»<м- и/; 1 (2)

о и* гпах и* тп 1

4 . 1 на ~ -1

относительные значения наибольших отклонений уровней от

минимально- и максимально-допустимых значений, выраяены зависимостями, аналогичными (2);

относительное значение максимального диапазона колебаний уровней воды за период управления:

Э6 , max [Т (3)

j L max _ mi.n J

относительное число нарушений минимально и максимально допустимых значений уровневого режима:

~1 - i- M mLn Oax) (4)

S й п fj 1NJ

5. Общая схема проведения вычислительных экспериментов представлена на рис.1. Для выбранного класса возмущений в результате машинного моделирования оцениваются показатели качества J. Л» ... Dm при реализации различных алгоритмов ОУВ G-t '

L = 1,2,..., п . Выбирается наилучшее (рекордное) значение

кагдого показателя Jj*max Dai,..., ЗпИ • ПРИ сравне-

J* (>2.,... т_

нии показателей с их рекордными значениями определяется эффективность исследуемых алгоритмов ОУВ.

Предложенная методика, использованная для обоснования применения централизованная многошаговых алгоритмов, может быть рекомендована тагае для более общих целей проектирования структуры и алгоритмов ОУВ и отработки новых научно-технических предложений.

В главе 2 рассмотрены вопросы интерпретации и конкретизации структуры и параметров централизованных многошаговых оптимизационных алгоритмов применительно к задаче ОУВ.

В терминах управления водораспределением задача синтеза многошаговых алгоритмов формулируется с позиций минимизации квадратического критерия ,

О* м [xYQn.) S [xT(e9) R u сб)

построенного на векторах: состояния объекта х(©д) , размерности ( П М ) с компонентами Xj (Q$) ~ Hj.(©g)~ Hj" , соответствующими отклонению уровня воды в j -м створе от задания Н^ в дискретны-": момент времени 9<j, $ ' 1,■ -

управляющих воздействий и Сб§) > размерности ("Z.k-1 ) с компонентам! = -QkT . соответствующие отклоне-

нию расхода воды Q к (Q<j) 3 створе к -го водорегулирующего "(перегораживающего) сооружения (ПС) от планового значения (2 к U (0§) предполагаются кусочно-постояннкми на интервалах [Qs,9j.i]:

u(03)=uCQs) V 63€ [©s, Os**).

В ЛК-теории предполагается, что минимизация (5) проводится на линейной модели объекта, записанной в состояниях:

ж(в3.«)* bu(eg)^6Wger(©gj + W(eg) (6)

где Wger (®g) - вектор, размерности (П х Н ), детерминированных возмущений; w(©a) - гауссовский вектор. Я, bjG матрицы параметров объекта, соответственно, размерности (п*п), (п**г ), (пхп).

Переход от уравнений неустановившегося движения к модели в состояних (6) представляет самостоятельную задачу (рассмотрена В.А.Рычковкм, А.Ь;.Цынуновнм). В данной ра'боте использована более простая модель вида (6), построенная путем разбиения отсеков канала на отрезки ("микроотсеки"), кусочно-линейной аппроксимации кривой свободной поверхности, записи балансовых соотношений для каждого "микроотсека" и линеаризации в окрестности плановой траектории. Получены соотношения, связывающие параметры матриц ДЬС в (6) с гидравлическими и режимными характеристиками канала:

Д - блочно-диагональная; Д -diag ^Ди i-* ^2.,-.-, L , где L - количество отсеков канала, flii - тридиагональ-

нал матрица, размерности м^ . где Мс - количество

микроотсеков в I -м отсеке; ее диагональные элементы:

а^Ч-к^*-?^ а^ч-к^е}'*,,(?)

поддиагоналъные и наддиагональные элементы:

С1к,к-| " Кк Фк-|,к / а К, к-и - Кк (2 К*к* 1 (8)

К -2,3,..., М;. к» 1.2,..., М с-1

Здесь: ¡.

: ЛЬйк Д + ^ « " /1 ^ * /-, -Г7»—\ ) * к*"

(9)

где 5ик-[6ск'-2тск(Н *к - И^")] Д £;. - площадь свободной поверхности воды к -го участка 1-го отсека при трападеидаль-

_ I*

ном поперечном сечении канала; к - плановое значение

*

расхода мекду ( К-1 не к -м участками с -го отсека; Иск. технологически целесообразные значения уровней воды в средней точке К -го участка I -го отсека; 0 к - к.п.д. К -го участка I -го отсека; 6 - средняя ширина по дну; т^ - средний угол заложения откоса; Н®1^ - горизонтальная отметка дна в средней точке К - го участка I -го отсека; Д £ I - - длина участка I -го отсека; - интервал дискретизации по времени,

Б -• двудиагональная блочная матрица, диагональные элементы которой Ьи" О,- • •, О} т .наддиагональные-

Элементы матрэды В: (10)

- диагональная матрица с элементами: Д±

б«—етг"» 14,2 ; к = ... м1 (ii)

Э и* '

Из (7)-(П) видно, что в модели использованы: условно-постоянные параметры канала (средняя ширина по дну, средний угол заложения откосов); параметры с медленным временным дрейфом (КПД,

участков, коэффициенты расходов, горизонтальные отметка дна, технологически-целесообразные значения уровней воды) и параметры, подлежащие пересчету в каждом интервале управления (плановые значения расходов).

Известно, что постановка задачи (5)-(6) позволяет получить варианты централизованных алгоритмов, различающиеся структурой вычислительного процесса. В развитие предшествующих исследований О/.. С.Асанов, Е.Г.Крушель) с учетом особенностей матриц

А, В, б- (7)-(Н) выполнена конкретизация параметров алгоритмов для 4-х вариантов их структуры:

алгоритм I, в котором управляющие воздействия зависят только от текущего состояния объекта;

алгоритм 2, учитывающий прогноз детерминированных возмущений;

алгоритм 3, синтезированный с учетом временных задержек, возникающих в контуре управления при сборе информации, расчете и реализации управляющих воздействий;

алгоритм 4, с двухуровневой структурой вычислительного процесса, учитывающий возможность представления модели объекта в форме взаимодействующих подпроцессов.

3 частности, алгоритм 2 имеет следующий вид:'

кС©5)х(еа) + 1)(вв)> в-сц,..., N-1 (12) где матрица усиления к(©з)и вектор 1) , отрааающий учет детерминированных возмущений, определяются по известным рекуррентным формулам:

к(в5)- [р^Свз^ОР^.Г1 Ртс(е5*,) Г I* (0з) - 1>- Рк (в5)]т|2с(е5.,)[РЗ)(05)-*

р. к,] к(о8)1-У1 , ¿ (е5пР>) - о • е5М -©5-0 - N, /л -Ь

Ёдесь: ^

В соответствии с разработанной методикой (глава I) анализ Целесообразности применения многошаговых алгоритмов в задаче ОУВ вшолняется после настройки их параметров, обеспечивающей заранее заданные (либо наилучшие) значения технологических показателей качества управления.

В дополнение к обычным настроечным параметрам (компонентам матриц штрафов V и Я е (5). Еыделены специфические для задачи ОУВ: интервал постоянства управляющих воздействий и число тактов в периоде управления. Предложены вычислительные процедуры для их определения (путем построения кривых равного уровня значений технологических показателей качества управления на сетках с координатами ^ , - К и т.д.). На рис.3 на сетке , показаны такие кривые для одного из показателей (времени переходного процесса).

В главе 3 приводятся результаты вычислительных экспериментов, выполненных согласно разработанной методике (гл.1) для обоснования целесообразности применения централизованных многошаговых оптимизационных алгоритмов 0УВ1 Одновременно решалась прикладная задача выбора варианта алгоритма ОУВ для реализации ал составе АШ-водораспределение для Западной ветки Раздольненско-го рисового канала (ЕВРЕК; рис.2).

Анализ технологического процесса водораспределения на БВРРК позволил конкретизировать общие положения методики:

феноменологическая модель идентифицирована применительно к ЗВРЕК как типичному распределительному, самотечному равнинному

Реаультдты вычислительных экспериментов

I.

АЛГОРЫТМЫ :

1-многошаговым

2-по нижнему

Бьесру " 3- „по ьгрхнегчу Бь«сру "

M- H* qo{

1s.oo «.со 2 loo t

РИС. А

Рис. 7»

ВБ ПС-{

бел упрле»л<гния

3 V*

15

min

Рис. ô

каналу зоны неустойчивого увлажнения. При моделировании характеристики объекта варьировались с помощью обобщающего параметра (суммарного свободного резерва воды);

классы возмущений: "перераспределительные"(связанные с изменением водоподачи в водоввделы одного хозяйства при сохранении общего лимита); кратковременные внеплановые изменения водоподачи в створе водозабора, связанные с ремонтом агрегатов головной насосной станции (НС); спонтанный отказ потребителей от воды из-за осадков; стохастические колебания водопотребления из-за подключения ЕС-"спутников";

интенсивность возмущений: нормированная (приведением к едк шчкому); возможность нор^шровки (в общем случае неприменимой из-за нелинейности объекта) для ЕВРЕК подтверждена экспериментально сопоставлением переходных характеристик объекта при 4-х кратном изменении интенсивности возмущений;

показатели качества: (1),(3) и мера интенсивности нарушений допустимых границ изменения уровней. Перечисленные показатели выбраны с учетом особенностей водораспределения на ¡5ВРРК:

с

в период пика водопотребления для увеличения пропускной способности водовыделов в канале поддерживаются форсированные отметга уровней, флуктуации которых вызызают нежелательные колебания водоподачи в створы, не оборудованные средствами стабилизации расходов (на рис.2 помечены # );

а

библиотека алгоритмов: в качестве базы для сравнения ко-пользовались наиболее популярные варианты децентрализованных алгоритмов ("по нижнему" и "по верхнему" бьефам); показатели качества, достижимые при соответствующей настройке их параметров, использовались для сопоставления с аналогичными показателями централизованных многошаговых алгоритмов 1,2 (глава 2).

Результаты ряда вычислительных экспериментов показаны на рис.4-6. На рис.4,5 представлены кривые переходных процессов по уровням воды в верхнем бьефе ПС-1 (рис.5) и ниянем бьефе ПС-1 (рис.4), вызванные перераспределением расходов воды мезду отсеками при сохранении общего баланса; кривые I соответствуют кгогошагоЕОку алгоритму ОУВ с прогнозом возмущающих воздействий; кривые 2 - варианту ОУБ "по нижнему" бьефу; кривые 3 иллюстрируют саковыравнивание объекта.

Данные кривые иллюстрируют преимущества многощаговых алгоритмов "в среднем": алгоритм "по нижнему" бьефу (НЕ, обеспечивающий незначительное улучшение качества стабилизации уровня НЕ ПС-1, существенно уступает многошаговому алгоритму в качестве стабилизации уровня в "верхнем" бье^е ПС-1.

Интуитивно ясно, что различия меяду показателями качества вариантов алгоритмов ОУВ при ма.шх госмущениях и/или значительных резервах воды в бьефах долены нивелироваться. Представляет интерес получение количественных оценок этих различий. Зависимости выбранных показателей качества от величины резервного объема воды, представленные на рис.6, показывают, что при наличии резервов воды 10 % от номинального объема любой вариант алгоритма ОУВ обеспечивает практически одинаковые значения показа-теле!5 качества управления.-.

В главе 4 излагаются результаты исследования влияния особенностей технической реализации многошаговых алгоритмов ОУВ на качество управления. Централизация контроля состояния технологических процессов, расчета управляющих воздействий и выдачи их на объект, необходимая для реализации многошаговых алгоритмов, осуществляется средствами АШ-водораспределение (телеавтоматическим комплексом и персональной ЭВМ). При этом в систему управления вкосятся временные задержки, связанные с ограничен-

носты) быстродействия технических средств (в частности, затраты времени только на контроль состояния объектов ЕВРЕК с пошшыэ телеавтоматического комплекса КЗТ-51.01 составляют 15-20 мин). Представляет интерес учет изменений показателе;" качества управления, вызванных этими задержками. Сложность задачи объясняется тем, что величина временных задержек определяется не только быстродействием средств, но и решениями по информационно?: струк туре (числу контролируемых створов), организация вычислительного процесса (форме алгоритмов ОУВ), по интервалам дискретизации исходной непрерывной модели объекта в постоянства управлений (периодичности их выдачи на объект). Поскольку эти решения составляют предмет разработки.алгоритмов ОУВ и до ее окончания неизвестны, величина запаздывания, вносимого техническими средствами, является неопределенной, а сама задача синтеза алгоритмов - незамкнутой.

Для замыкания задачи использованы два приема. Первый состоит в оптимизации параметров Д+,\>, выполняемой в рамках фиксированной структуры алгоритма ОУВ (в частности, выбранной без ограниченности быстродействия технических средств по критерию ( 5 )).

На рис.8 приведены результаты настройки (при заданном Д^), из которых следует, что при низком быстродействии технических средств наилучшее значение критерия ( 5 ) достигается при Д"Ью

Второй прием состоит з учете временных задержек непосред-. ственно на этапе синтеза. В предшествующих работах (Е.С.Асанов) для синтеза таких алгоритмов использован известны." метод расширения размерности исходного п -мерного вектора состояния объектаХ(бд) до значения П-г где "Ъ - размерность вектора управляющих воздействии, "Туе - величина заранее неизвестных затрат времени на сбор информации 'Суси, ее обработку и расчет управляющих воздействий

Ту ^ п на выдачу управлений на объект Тур: Т^ус-'Еуси^'Суу-ТТур В работе получены условия для определения неизвестного tyy и соответствующей ему размерности у расшренного вектора состояния при заданных %т и typ , построенных на опенках вычислительной слояности алгоритма:

Коп Коп

Tyy-jbZwi:(n,z,N'0'W N4ZWi.*(n,^ Ht)tBAt

V) (14)

Tyy> N-rü-t-CCyc^typ) , N, - дТ

raeWjl - количество l -x элементарных операций ЭВМ, выполняемых за одну итерапию алгоритма, реализующего расчеты по уравнениям Риккати; Wj'- количество L -х элементарных операций, выполняемых за один шаг в процессе временного агрегирования на интервале [О, ; Т эл; - время выполнения L -ой элементарной операции ЭВМ; J5 - число операций алгоритма.

Приближенные опенки вычислительной сложности алгоритмов тира (12)-(13), выполненные в работе, показывают, что зависимость ^■f (^первое уравнение в (14) может быть аппроксимирована кубической. Такая аппроксимация была использована для исследования (.14) и установления условий, при которых решение (14) существует. -

Результаты совместного решения уравнений (14) показали: При реализации алгоритма, синтезированного с учетом запаздываний в контуре управления, существует замкнутая область допустимых сочетаний ^ , Туу.^ (см. рис.7).

При заданной диснретизапии непрерывного процесса Д "t существует область допустимых сочетаний > ^-ЧЧ } • соотзе'г" ствующая условиям: "йтНп < ^ < ^тоя; Tyy min =4 Туу то* ;

{tyc^'typ.tyy) j ^.гю* üT; Xyy < Л

множество допустимых сочетаний w,Туу> находится на границе замкнутой области (см.рис.7). При уменьшении Д"Ь данная область

стягивается в точку (т. G , рис.7).

При дискретизации непрерывного процесса л^ < л i^-p алгоритм, синтезированный методом расширения пространства состояний.становится нереализуемым.

При увеличении запаздываний, вносимых устройствами сбора пи формации и реализации управляющих воздействий ,ТЗР, граничное значение д-tap увеличивается, т.е. расширяется соласть, в

л

которой Туу не достижимо.

С другой стороны, максимальное предельно допустимое значение интервала дискретизации Д"Ь пах определяется из условий устойчивости модели.

Мнокество допустимых сочетаний - конечно (поскольку ^ и tyy кратны ) (см.т. А,В,С,Д на рис.7), что позволяет осуществлять машинный перебор допустимых сочетаний для выбора наилучшего.

В главе 5 приводятся результаты опытно-производственной проверки и.внедрения централизованных многошаговых алгоритмов ОУВ в Раздольненском УОС Крымводхоза в составе АН/.-во.цораспре-деление, реализованном на базе персональной ЭВМ класса IBM PC •и системы телемеханики Кс/Т-51.01 (рис.9).

В пронессе опытно-производственной эксплуатации, проведенной в I989-I9SI гг., осуществлено сопоставление результатов расчета управляющих воздействий в контуре АШ с действиями диспетчерского персонала при управлении объектом (см.рис.10). Централизованное управление каналом с использованием многошаговых оптимизационных алгоритмов реализуется с более частыми, но меньшими по величине управляющими воздействиями, что способствует более "плавному" управлению, при котором сокращается число и продолжительность выхода характеристик объекта из зоны линейности. Учет прогноза изменений расходов воды потребителям по-

ЭуНКЦиОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРА АСУТП ВОДОПОЛЬЬОЪАНМЗ Районного упрлвления оросительных систем

ДРМ-водопольйоьАние

опгрлтмьног плАНМРоЬАНиг

А РМ - &одорАспределен и е

Оперативное упрльлгнне

<ФУЦ|СЦИОНАЛЬНЫе

комплексы

Контроле состояния Об'ЬОКТА

ьадач

-I I

ЬыДАМА УПРАЬЛОКЛЦМ* I

I ьоадгДстьий |

ТвлгмгхАнический канал кэт-ы.01

--1 кп|

Т~ ЕЙ

\ ПЭВМ

/

/ у

\ V \ 1

ПДУ КЭТ- -54. СМ

ы

технологкчсскгми

I

процесс

Рис- <9

а

АО 50

го

Срльнение упрАе>ляющ.их. воздейстьий, ьыДАВАемых диспетчером и рекомендуемых

АРМ- ьодорАспрсделеиие

"Г-1

ПСН (РР£>)

зволяет заранее подготовиться к возможным отклонениям уровнево-го режима.

ЙАКЛОЧЕШЕ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Многошаговые оптимизационные алгоритмы распространены на новую сферу применения - задачи оперативного управления во-дораспределением на равнинных каналах с резервными емкостями. Осуществлена конкретизация структуры и параметров алгоритмов применительно к задаче ОУВ, разработаны процедуры их настройки и привязки к объекту.

2. Установлены и подтверждены экспериментально преимущества многошаговых оптимизационных алгоритмов по сравнению с традиционными П'по верхнему" и "по нижнему" бьефам), позволяющие повысить быстродействие системы управления и точность стабилизации уровней воды в канале. Данные преимущества достигаются ка за счет централизации управления резервами воды е канале, так

и за счет использования прогноза Еозмущающих воздействий.

3. Разработана методика сравнительного анализа показателе^ качества различных алгоритмов ОУВ, основанная на вычислительных экспериментах с моделями объекта и системй управления. Данная методика, использованная для конкретной задачи экспериментального подтверждения преимуществ многошаговых централизованных алгоритмов, применимое для более широких целей проектирования систем ОУВ и экспериментальной проверки новкх алгоритмов,

4. Исследованы особенности реализации многошаговых оптимизационных алгоритмов ОУВ в программно-аппаратных комплексах "Автоматизированное рабочее место диспетчера оросительной системы" (АШ-Еодораспределение) на базе персональных ЭВМ и систем телеавтоматики. Установлено и исследовано экспериментально влил ние ограниченности быстродействия технических средств на выбор

структуры и настроечных параметров алгоритмов.

5. Определены границы применимости алгоритма, синтезированного с использованием метода расширения размерности пространства состояний для учета запаздываний, возникающих в системе управления при обработке информации и расчете управляющих воздействий. Доказано существование предела уменьшения интервала дискретизации непрерывной модели объекта (зависящего от быстродействия технических средств), вне которого задача выбора размерности расширенного вектора состояния, адекватной вычислительной слогшости алгоритма, не имеет решения.

6. Основные положения синтеза, настройки параметров и оценки показателей качества алгоритмов О7В отработаны применительно

*

к типовому каналу равнинной зоны с резервными емкостями в бьефах (Западной ветки Раздолькенского рисового канала).

7. Выполненный комплекс исследований позволил разработать программное обеспечение для задачи ОУВ, реализовать его в составе АШ-водораспределение и внедрить в производство в Раздоль-ненском управлении оросительных систем с экономическим эффектом 20,0 тыс.руб. в год.

Содержание диссертации опубликовано в 20 работах, основными из которых являются:

1. Асаноз Ь;.С., Крушель Е.Г., Салова Т.Л. Влияние быстродействия телеавтоматически комплексов на качество оперативного управления водораспределением. - // Вопросы технологии и автоматизации вод ¿распределения и полива. - Фрунзе: ВШ'-КАмелиорапия,

2. Асанов Ы.С., Крушель Е.Г., Салона Т.Л. О зависимости точности оперативного управления водораспределением в двухуровневой АСУТП от периодичности координации локальных подсистем. -// Вопросы автоматизации процессов водораспределення и полива

в мелиорации. - Фрунзе: BHHJíАмелиорация, IS86. - С.20-25.

3. Асанов t>'.C., Крушель Е.Г., Салова Т.Д. Комплекс программ анализа и синтеза структур и алгоритмов оперативного управления водораспределением "COLPAS' - // Экспресс-ищормаиня ЦБ Л1У., ¡„елиораиия и зодное хозяйство, серия "Автоматизация- ¿: телемеханизация гидромелиоративных систем . - !'.,икводхоз СССР. - дыи.-с, I&88. - С.1-9.

4. Методические указания. Выбор структуры и алгоритмов оперативного управления водораспределением на самотечных каналах с учетом ограниченного быстродействия комплекса технических средств. - Министерство мелиорации и водного хозяйства СССР, ВШ1КАмелиораиия. - Фрунзе, IS88. - 83 с.

5. Воеводина Е.С., Ыиркина H.L., Попова Л.И., Салова Т.Л. Структура вычислительных экспериментов по сравнительному анализу концепций оперативного управления водооаспределением. - // Тезисы докладов Всесоюзной школы-семинара Автоматизация научных исследований и проектирования АСУТП в мелиорации". - Фрунзе, 1S88. С.148-150.

6. Крушель Е.Г., Салова Т.Л. Пакет прикладных программ для исследования и настройки алгоритмов оперативного управления водораспределением с учетом быстродействия технических средств. -// Способы п средства автоматизации водораспределенпя и полива. Фрунзе, 1ЬБ6. - C.I4S-I55.

7. Асанов ГЛ.С., Крушель Е.Г., Салова Т. Л. Модель динамики уровнеЕого решка в канале для синтеза линейно-квадратических алгоритмов управления транспорткгованием воды. - // Автоматизация водораспределенпя и полива. 1 Фрунзе: БШ.КАмелиораикя, IS85 С.48-58.

8. Гаврилец О.С., Салова Т.Л. Задача оперативного управления в составе АШ-водораспределение. - // Тезисы докладов Республиканской конйепенпип "Математическое моделирование и проблема автоматизации"Г - Фрунзе: АК Кирг.ССР, IStO. - С.38.

S. Салова Т.Л. Программный комплекс для исследования ьккро-процессорных систем управления динамическими объектами. - // Те-зксн докладов 1-й республиканской научно-технической конс'ерешю "Применение микропроцессоров в народном хозяйстве". - Фрунзе,

10. Салова Т.Л. Учет вычислительной сложности алгоритмов пт синтезе оптимальных управляющих систем. - // Тезис и докладов Республиканской научно-технической конференции молодых ученых "Совершенствование проектиюванкя к эксплуатации гидромелиоративных систем". - Фрунзе, 1986. - C.II-I3.

11. Салова Т.Л. Задачи и функции подсистемы САПР по обоснованию структуры и алгоритмов оперативного ¡'правления водораспределениек. - // Тезисы докладов Всесоюзной школы-сега^кара "Автоматизация научных исследований и проектирования АСУТП в мелиорации". - Фрунзе, 1988. - С.175-177.

12. Салова Т.Л. Анализ оперативного управления на Раздоль-ненской оросительной системе в процессе эксплуатации АНк-аодо-распределение. - // Вопросы разработки и эксплуатации автокат>1-зигоьанных гидромелиоративных объектов. - Фрунзе, ISS0. - С.£2-