автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование саморегулирующихся объектов с запаздыванием и синтез систем управления такими объектами

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ

МОДЕЛИРОВАНИЯ САМОРЕГУЛИРУЮЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ И УПРАВЛЕНИЯ ИМИ.

1.1. Введение.

1.2. Классификация и особенности математических моделей биотехнологических процессов.

1.3. Математическое моделирование саморегулирующихся систем.

1.4. Идентификация объектов управления и систем обработки информации.

1.5. Нестационарные системы обработки информации и управления.

1.6. Системный подход к моделированию саморегулирующихся объектов с запаздыванием и управлению такими объектами.

1.7. Выводы.

ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ДИНАМИКИ САМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КВАЗИСТАЦИОНАРНОЙ СИСТЕМЫ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ.

2.1. Введение.

2.2. Математическая модель саморегулирования.

2.3. Качественное исследование дифференциального уравнения

2-го порядка с запаздыванием.

2.4. Алгоритм численного решения дифференциального уравнения 2-го порядка с запаздыванием.

2.5. Численное решение дифференциального уравнения 2-го порядка с запаздыванием.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. СТРУКТУРНЫЙ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Необходимые условия для структурного синтеза системы управления.

3.3. Новый подход к анализу идентифицируемости систем управления.

3.4. Синтез упредителя времени запаздывания.

3.5. Идентификация параметров модели объекта управления (оцениватель параметров).

3.6. Синтез закона управления.

3.7. Анализ предлагаемой системы адаптивного управления.

3.8. Сравнение предлагаемых алгоритмов адаптивного управления с управлением по эталонной модели.

3.9. Сравнение предлагаемого упредителя с известными упредителями.

3.10. Алгоритм адаптивного управления.

3.11. Структурная схема системы управления.

3.12. Выводы.

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И

УПРАВЛЕНИЯ.

4.1. Введение.

4.2. Структура и особенности алгоритмов моделирования и управления.

4.3. Программы оценивания параметров состояния и управления для синтезируемой адаптивной системы.

ВВЕДЕНИЕ

Показатели качества процесса зависят от микробиологических, технологических и других условий выращивания микроорганизмов, которые обладают саморегулированием, выражающимся в наличии у биологических систем адаптивно-компенсаторных свойств. Специфические особенности процесса саморегулирования усложняются еще и наличием биологической инерционности, т.е. конечным временем адаптации клеток к возмущающему воздействию (латентный период) и выработки управляющих воздействий. Это означает, что при появлении возмущающего воздействия скорость роста клеток изменяется не сразу, а лишь спустя некоторое время. Такая инерция связана с существенной перестройкой всего внутреннего аппарата клетки и является имманентным свойством любой биологической системы.

Интенсификация научно-исследовательских работ, качество исследований, надежность и достоверность получаемых результатов — одно из направлений, которое позволит улучшить качество выпускаемой продукции. А одной из действенных мер, направленных на повышение достоверности получаемой информации, эффективности труда исследователей, продуктивности процессов является применение математических методов и вычислительной техники в научных исследованиях.

В основном биотехнологические процессы, в том числе процессы производства дрожжей, являются нестационарными, нелинейными и в большинстве случаев обладают саморегулированием. В настоящее время в литературе достаточно полно отражено математическое моделирование нестационарных систем, не обладающих саморегулированием. К сожалению, для процессов, которым присуще саморегулирование и которые к тому же и нестационарны, таких работ очень мало.

Актуальность темы диссертационной работы продиктована необходимостью построения инвариантных математических моделей квазистационарных саморегулирующихся систем с запаздыванием и разработки методов идентификации параметров этих моделей, обеспечивающих синтез систем управления такими объектами (предметная область — пищевая промышленность, биотехнология, микробиология, радиотехника, системотехника, радиолокация и др.).

Цель работы. Математическое моделирование саморегулирующихся биотехнологических объектов с запаздыванием и синтез систем управления ими, обеспечивающие построение инструментальных средств в виде математического, алгоритмического и программного обеспечения предметных автоматизированных систем.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач.

1. Предложить структуру динамики саморегулирования, ее математическую модель с учетом биологической инерционности (запаздывания), методы и средства их анализа.

2. Разработать алгоритмы оценки структурной локальной идентифицируемости параметров математической модели биотехнологического объекта управления и методов их оценки с учетом специфических свойств объекта: квазистационарности, запаздывания, саморегулирования.

3. Синтезировать алгоритмы и систему управления квазистационарными саморегулирующимися биотехнологическими объектами, учитывающие временную задержку и величину возмущающего воздействия, применимые для управления неминимально-фазовыми системами.

4. Разработать инструментальные средства в виде алгоритмов и пакетов прикладных программ, реализующих вышеприведенные задачи.

Методы исследования. Для решения перечисленных задач в диссертационной работе были использованы: метод последовательного интегрирования дифференциальных уравнений 2-го порядка с запаздыванием, методы пространства состояний, математический аппарат матричной алгебры и функционального анализа, теория автоматического управления.

Научная новизна диссертационной работы заключается:

- в математическом описании биотехнологических систем саморегулирования с запаздыванием, в разработанных математических моделях квазистационарных саморегулирующихся биотехнологических объектов с запаздыванием, алгоритмах и системах управления такими объектами с инвариантными свойствами к предметной области и уровнями функционирования технических систем;

- в предложенной структуре динамики саморегулирования с запаздыванием, ее математической модели и методах ее анализа (качественной оценке путем построения интегральных кривых и энергетических соотношений и численном решении дифференциального уравнения 2-го порядка с запаздыванием);

- в разработке алгоритмов оценки структурной локальной идентифицируемости параметров математической модели биотехнологического объекта управления и методов их оценки с учетом специфических свойств объекта: квазистационарности, запаздывания, саморегулирования;

- в синтезе алгоритмов и системы адаптивного управления квазистационарными саморегулирующимися биотехнологическими объектами, учитывающих временную задержку и величину возмущающего воздействия.

Разработаны алгоритмы для формирования управляющих воздействий, оценивателя параметров системы, упредителя для компенсации запаздывания. Предложенные алгоритмы применимы для управления неминимально-фазовыми системами.

Практическая значимость работы заключается:

- в построенных инструментальных средствах в виде методов, алгоритмов, пакетов прикладных программ, реализующих в структуре предметных автоматизированных систем процедуры математического моделирования квазистационарных саморегулирующихся объектов с запаздыванием и системы управления ими;

- в предложенном способе автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов (дрожжей) (патент РФ на изобретение № 2132881).

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы, реализованные в виде программного комплекса, были использованы и внедрены на ОАО "Воронежский дрожжевой завод". На дрожжевом заводе применен алгоритм управления процессом выращивания дрожжей. Внедрение данного алгоритма на ОАО "Воронежский дрожжевой завод" обеспечило уменьшение расхода воздуха на аэрацию (до 3 %), расхода охлаждающей воды (на 1 %) и повысило выход дрожжей на 0.2-0.5 %.

Результаты научных исследований использованы в разработке и реализации способа автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов (дрожжей), который запатентован в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (патент на изобретение № 2132881).

Отдельные алгоритмы и инструментальные средства в виде программного комплекса использовались также в учебном процессе в рамках специального курса для адъюнктов и соискателей Воронежского института МВД России.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (ММХ-10) (Тула, 1996 г.), 3-й Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии и системы" (Воронеж, 1996 г.), двух научно-практических конференциях ВВП! МВД РФ

Воронеж, 1996-1997 гг.), межвузовской научно-практической конференции адъюнктов и соискателей ВВШ МВД РФ (Воронеж, 1997 г.), научно-практической конференции "Научно-технический прогресс в бродильных производствах" (Воронеж, 1997 г.), научно-практической конференции "Актуальные проблемы информационного мониторинга" (Воронеж, 1998 г.), III Международной электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (1998 г.), I Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (Нижний Новгород, 1999 г.), межвузовской научно-практической конференции Воронежского института МВД России (Воронеж, 1999 г.), Всероссийской научной конференции "Совершенствование наземного обеспечения авиации" (Воронеж, 1999 г.), 12-й Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-12" (Великий Новгород, 1999 г.), IV-й Международной электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (1999 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ и получен патент Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 171 странице основного текста, включающих 20 рисунков и 5 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 188 наименований, а также содержит четыре приложения на 78 страницах.