автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Математическое, программное и информационное обеспечения подсистемы САПР устройств метеорологической поддержки замкнутой системы управления "Природа - Техногеника"

На правах рукописи

До Суан Чо

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ, ПРОГРАММНОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ САПР УСТРОЙСТВ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ «ПРИРОДА - ТЕХНОГЕНИКА»

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ДЕК 2013

005543941

Санкт-Петербург - 2013

005543941

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» имени В.И.Ульянова (Ленина) на кафедре систем автоматизированного проектирования.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Сольнидев Ремир Иосифович

доктор технических наук, профессор

Тисенко Виктор Николаевич

Директор Центра наукоемкого инжиниринга,

кафедры "Управление проектами" Санкт-

Петербургского государственного политехнического

университета (СПбГПУ)

кандидат технических наук, доцент Майоров Николай Николаевич

Кафедры системного анализа и логистики Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (ГУАП)

Ведущая организация:

Институт Аналитического Приборостроения Российской Академии Наук (ИАнП РАН)

Защита диссертации состоится «_24_»_декабря_2013 года в 1630 часов на заседании диссертационного совета Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5, ауд._.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «_»_декабря _ 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета 7/ ' 7

Д212.238.02, к.т.н., доцент Н.М. Сафьянников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основными проблемами начала XXI века стали загрязнение окружающей среды и истощение природных ресурсов в связи с ростом промышленного потенциала и транспорта. В частности широко обсуждаются вопросы парникового эффекта, выбросов вредных веществ и т. д. Эти проблемы также рассматривались на правительственном уровне, подтверждением чего является подписание Киотского протокола, решения 18-ой конференции Рамочной Конвенции ООН об изменении климата, состоявшейся в Дохе (Катар 12.08.2012г).

В последние десятилетия антропогенные факторы загрязнения атмосферы стали превышать по масштабам естественные, приобретая глобальный характер. Выбрасываемые в атмосферу вредные примеси не только уничтожают живую природу, отрицательно воздействуют на здоровье людей, но и способны изменить свойства самой атмосферы, что может привести к нежелательным экологическим и климатическим последствиям, поэтому в настоящее время проблемы снижения загрязняющих веществ (ЗВ) стали особенно актуальными.

Физическая сторона рассматриваемой проблемы связана с анализом эмиссии распространения и поглощения ЗВ. В работах Берлянда М.Е., Кондратьева К.Я., Щербакова А.Ю., Ландсберга Г.Е., Бузало Н.С., Гаргер Е.К., Марчука Г.И., Борисенкова Е.Л. исследовались процессы распространения ЗВ от точечных, линейных и площадных источников как непрерывного, так и мгновенного действия.

В работах Израэля Ю.А., Конопелько Л.А., Горелика Д.О., Назарова И.М. (и других учёных), а также на многочисленных симпозиумах, конференциях, совещаниях предлагались средства мониторинга ЗВ и очистки атмосферы, как правило, локального применения. Принципиальное решение проблем снижения уровня ЗВ представляется возможным путём создания системы управления «Природа - Техногеника», обеспечивающей минимизацию ЗВ, поступающих от техногенных объектов путем регулирования агрегатов очистки источников этих ЗВ. В работах профессора Сольницева Р.И. и его учеников предложена и развита концепция создания замкнутой системы управления «Природа - Техногеника» (ЗСУ ПТ).

Проектирование ЗСУ ПТ включает многоэтапный процесс — от согласования технического задания до подготовки пилотного образца.

На содержание ЗВ в потоке атмосферного воздуха в значительной степени оказывают влияние метеорологические условия, а именно: скорость и направление ветра, температура, влажность, давление. Они в определенной степени влияют на накопление, перенос и рассеивание вредных веществ. В этой связи задачей управления в этой системе является непрерывное обеспечение метеорологической поддержки в ЗСУ ПТ.

В соответствии с отмеченными обстоятельствами в ЗСУ ПТ необходимо разработать устройства метеорологической поддержки (УМП), включающие блоки накопления, обработки метеорологических данных, ввода их в блок управления очистными агрегатами с целью компенсации нежелательных отклонений от заданных критериев устойчивости и качества ЗСУ ПТ как САУ.

Решение этой задачи невозможно без разработки и применения САПР УМП. Поэтому рассматриваемая здесь подсистема САПР УМП является необходимым инструментом проектирования.

В процессе разработки этой подсистемы САПР УМП потребовалось осуществить:

• Анализ степени влияния метеорологических параметров атмосферы на функционирование ЗСУ ПТ, а также средств автокомпенсации этого влияния.

• Исследование и разработку основных обеспечений подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ, - математического, программного и информационного.

• Практическое применение подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ, включающей математическое, программное и информационное обеспечения.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка алгоритмической схемы подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ.

2. Адаптация алгоритмов анализа нестационарных случайных процессов (НСП) на основе методов скользящего усреднения и разработка их программной реализации для обработки метеорологических данных.

3. Анализ точности обработки метеорологических данных при приведении НСП к эквивалентным стационарным случайным процессам.

4. Алгоритмизация формирования закона управления автоподстройкой ПИД - регулятора.

5. Построение базы данных УМП ЗСУ ПТ (БД УМП ЗСУ ПТ).

6. Разработка программного обеспечения подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ.

7. Разработка интерфейса пользователя подсистемой САПР УМП ЗСУ ПТ как инструмента проектировщика ЗСУ ПТ.

Методы исследования. Основные теоретические и прикладные результаты работы получены на базе применен™ теории вероятностей, математического моделирования и вычислительного эксперимента, теории систем автоматического управления, теории САПР.

Объектом исследования диссертационной работы являются УМП ЗСУ ПТ, включающие блоки "обработка", "программатор", "преобразование" как средства управления автоподстройкой ПИД - регулятора.

Предметом исследования в работе являются исследование и разработка алгоритмов обработки метеорологических данных как НСП, алгоритмизация формирования закона автоподстройки ПИД - регулятора и программная реализация разработанных алгоритмов.

Достоверность научных результатов подтверждается теоретическим анализом, предложенных алгоритмов обработки и передачи метеорологических данных, моделированием ЗСУ ПТ с учётом воздействия метеорологических возмущений, статистическими экспериментами.

Научные положения, выносимые на защиту.

• Алгоритмическая схема подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ.

• Алгоритмы обработки метеорологических данных.

• Алгоритмы оценки точности обработки метеорологических данных.

• Алгоритмизация формирования законов автоподстройки ПИД — регулятора ЗСУ ПТ.

• Структура программного обеспечения подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ.

• Результаты анализа применения подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ.

Научная новизна работы состоит в разработке:

• Алгоритмической схемы подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ, включающей блоки сбора, обработки и передачи метеорологических данных в ЗСУ ПТ после получения их из центра метеорологической информации (района, промзоны) в режиме реального времени.

• Алгоритмов обработки метеорологических данных путём сведения НСП к эквивалентным стационарным с оценкой точности такой обработки, что позволяет вычислять характеристики метеорологических воздействий на ЗСУ ПТ с требуемой точностью.

• Алгоритмизации формирования законов управления автоподстройкой ПИД - регулятора с целью компенсации метеорологических возмущений на ЗСУ ПТ как САУ.

Практическая ценность работы заключается в реализации разработанных алгоритмов математического, программного и информационного обеспечений в виде подсистемы САПР ЗСУ ПТ. Эта подсистема позволяет осуществлять проектирование ЗСУ ПТ с учётом влияния метеорологической обстановки в режиме реального времени, выпускать соответствующую техническую документацию и повысить качество проектирования этой системы вцелом.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• XIV международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (SCM'2012), Россия, Санкт-Петербург, 25 - 27 июнь 2012г.

• Informational Conference Southeast Asian Open and Distance Learning in the 21st Century "ISODL" 27 October 2012.

• XIX международная конференция «Современное образование: содержание, технологии, качество», Россия, Санкт-Петербург, 24 апреля 2013г.

• XV международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (SCM'2013), Россия, Санкт-Петербург, 23 - 25 май 2013г.

• Anniversary Scientific International Conference 45 years Computer Science and Engineering Department, Technical University Of Varna, 27 - 28 September 2013, Varna, Bulgaria.

• Учёный Совет Института Экологических Технологий Вьетнамской Академии Наук (ИЭТ ВАН), Ханой, Вьетнам, 24 октября 2012 г.

Реализация и внедрение результатов. Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Санкт -Петербургского государственного электротехнического университета «СПбГЭТУ» "ЛЭТИ" и практических работах Института Экологических Технологий Вьетнамской Академии Наук.

• L¡- агрегата отчистки совместно с исполнительным устройством,

• x(t) - возмущающее воздействие - компенсируемая составляющая топливных газов,

• F(t) - параметрические воздействия под влиянием метеорологических возмущающий,

• ZJJ) - сигнал управления автоподстройкой,

• у\- рассогласование,

• у2 — измеряемая величина концентрации ЗВ,

• у2 - результат измерения концентрации ЗВ,

• У20 ~ допустимая величина концентрации ЗВ (у2 ),

• z(f) — величина отклонения,

• У2 (0 ~ преобразованный сигнал,

• u(t) - сигнал управления,

• о (?) — сигнал компенсации возмущения.

Из структуры такой САУ видно, что на систему управления действует два источника возмущений:

1) x(t) — возмущающее воздействие (компенсируемая составляющая топливных газов), поступающих на вход такой САУ.

2) F(J) - метеорологические возмущения - ветер (Р), температура (713), влажность (И7), давление (Р), которые приводят к изменению транспортного запаздывания распространения потока ЗВ и тем самым к нарушению устойчивости и качества ЗСУ ПТ как САУ.

Объект управления включает поток переноса ЗВ, скорость которого существенно влияет на настройки регулятора ЗСУ ПТ, в том числе на устойчивость и качество процессов управления. В соответствии с отмеченными особенностями такой САУ в данной работе рассматриваются алгоритмы обработки метеорологических данных и алгоритмизация формирования входных сигналов для автоподстройки ПИД -регулятора, (оператор Z4> на рис 1). Этот оператор имеет вид:

¿4(р) = Кп + Кд р + ,

где р = Кп, Кд, Ки - коэффициенты ПИД - регулятора.

Далее в этой главе рассматривается процесс проектирования ЗСУ ПТ. Показывается, что одним из важных факторов влияния на функционирование ЗСУ ПТ, является метеорологическая обстановка в зоне действия этой системы. Для компенсации метеорологических возмущений в ЗСУ ПТ в режиме реального времени необходима разработка УМП, обеспечивающих автоподстройку регулятора ЗСУ ПТ. На рис 2 приведена функциональная схема проектируемых УМП ЗСУ ПТ, включающих блоки: "обработка", "программатор", "преобразование" для сбора, обработки и передачи метеорологических данных в ЗСУ ПТ.

Функции /¡, f2, f¡, /4 представляют результаты обработки метеорологических данных.

Взаимная корреляционная функция применяется для определения отношений параметра V с остальными параметрами Г", Р, IV. При этом - исходные

реализации, соответствующие V, а - исходные реализации, соответствующие Т°, Р, Ж.

Интервалы Т, Т\, Т2 определяются исходя из требуемой точности измерения оценок. Так для корреляционной функции Л'ХХ(7Д) интервал Ти оценивается показателем

л=4-' <4>

ср

где среднеквадратическая погрешность оценки ^(/Д) -

(5)

кх0 ~ корреляционная функция г'-ой реализации, построенная при обработке экспериментальных данных ансамбля из реализаций,

1 Т°

их = — | ох (() л - среднее значение текущей дисперсии £>А{/).

ср то п

о

В диссертации приводятся расчёты численных оценок ук и приближенные формулы определения интервалов текущего сглаживания.

Вцелом показатель ук служит для численной оценки близости анализируемого НСП к эквивалентному стационарному случайному процессу.

Алгоритмизация управления автоподстройкой ПИД - регулятора, рассмотренная в работах профессора Сольницева Р.И. и развитая здесь, состоит в следующем. При

известном расстоянии от источника ЗВ до датчика {Е) скорость переноса (к) является неизвестной функцией не только ветра (V) но, и всех остальных метеорологических параметров. Величина запаздывания (т = —) ПРИ переносе ЗВ от источника до датчика

измерения являются функцией, -

т=Г(У,Г,Р,Ж,Е). (6)

В этой связи требуется автоподстройка коэффициента Ки (коэффициент передачи интегрирующего звена) в ПИД - регуляторе при непрерывном (или с допустимой дискретностью) поступлении метеорологических данных и определение закона управления автоподстройкой с дальнейшим построением соответствующей программы контроллера, реализующего зависимость, -

Ки = Г, Р, \¥,Е) = Кц(1). (7)

При этом требуемые характеристики процессов регулирования достигаются при соотношении Кя ■ т = а г 0.8 ■*■ 1.2.

Поскольку функция Я"и(0 неизвестна, то приближение к ней строится исходя из

Е

следующих соотношении: тпотока = = *ср +

рассматриваются топливные агрегаты ТЭЦ в городах Ханоя Вьетнама.

В примерах основным видом ЗВ рассматривается диоксид серы 802.

а У&УУгтси

Рис 6 Тестирование подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ.

Очевидно, что без применения автоподстройки ПИД — регулятора в ЗСУ ПТ, система неустойчива.

Результат тестирования подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ применительно к оценке тех же воздействий с автоподстройкой ПИД - регулятора приведен на рис 7.

Как показали результаты тестирования подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ, необходима автоподстройка регулятора в ЗСУ ПТ для обеспечения компенсации метеорологических возмущений по критериям устойчивости и качеству ЗСУ ПТ как САУ.

В этой главе также приведены результаты применения проектировщиками ЗСУ ПТ подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ.

Первым шагом применения подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ является проверка поступления метеорологических данных в БД УМП ЗСУ ПТ и блок «Обработка» из центра метеорологической информации.

В блоке «Программатор» формируются законы управления автоподстройкой ПИД - регулятора в ЗСУ ПТ как временные процессы с выпуском соответствующей проектной документации.

В блоке «Преобразование» осуществляется ввод сигналов управления автоподстройкой в контроллер ПИД - регулятора.

На рис 10 приведен пример применения подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ для формирования законов управления автоподстройкой коэффициента Ки(/) ПИД -регулятора с усреднением по месяцам при оценке среднего значения ки(?) = киср в течение года.

Ки(0/Ки

ср

1.31.1 1 — 0.9 —

0.80.7-

В течение года В течение месяца

10

12

месяцы

Рис. 10. Закон управления автоподстройкой ПИД - регулятора.

В диссертации также показано применение подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ для вычисления оценок точности обработки метеорологических данных.

Результаты, полученные в блоках "обработка" и "программатор", сохраняются в БД УМП ЗСУ ПТ как проектная документация.

В заключении сформулированы основные результаты, достигнутые в ходе выполнения диссертационной работы:

1. Предложена функциональная схема подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ, предназначенная для проектирования УМП ЗСУ ПТ.

2. Проведен анализ и адаптация алгоритмов обработки метеорологических данных как НСП.

3. Проведен анализ оценки точности обработки метеорологических данных при приведении НСП к эквивалентным стационарным случайным процессам.

4. Осуществлена алгоритмизация формирования закона автоподстройки ПИД - регулятора в ЗСУ ПТ.

5. Построена БД УМП ЗСУ ПТ для сохранения, обновления и передачи метеорологических данных в ЗСУ ПТ в режиме реального времени.

6. Разработано программное обеспечение подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ.

16

7. Предложена алгоритмическая схема применения подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ и приведено её тестирование. Результаты тестирования показали, что применение разработанной подсистемы САПР является эффективным инструментом проектировщика ЗСУ ПТ в части УМП.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Сольницев Р.И., До Суан Чо. Построение баз данных метеорологической информации в замкнутой системе управления «Природа — Техногеника» // Программные продукты и системы - 2013. -№1. стр. 125-129.

2. Сольницев Р.И., До Суан Чо. Алгоритмизация обработки и передачи метеорологических данных в Замкнутой системе управления « Природа - Техногеника » // Информационно-управляющие системы - 2013 № 3. стр. 30-35.

3. Сольницев Р.И., До Суан Чо. Программная реализация метеорологической поддержки Замкнутой системы управления «Природа - Техногеника» // Информационно-управляющие системы - 2013. № 5. стр. 50-55.

4. Сольницев Р.И., До Суан Чо., Шапошинков.Б.И. К оценке точности обработки метеорологических данных в Замкнутой системе управления «Природа -Техногеника» // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2013.- № 7. стр. 59-62.

Другие статьи и материалы конференций:

5. Сольницев Р.И., До Суан Чо, Коршунов Г.И. Моделирование замкнутой системы управления «Природа - Техногеника» при воздействии метеорологических возмущений // Anniversary Scientific International Conference 45 years Computer Science and Engineering Department, Technical University Of Varna, 27 - 28 September 2013,Varna, Bulgaria. Том 2,- С. 20-25.

6. До Суан Чо. Вопросы информационного обеспечения замкнутой системы управления "Природа - Техногеника". // Материалы XV межд. конференции по мягким вычислениям и измерениям (SCM-2012), - Спб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. С. 134-137.

7. До Суан Чо. Принципы разработки программного обеспечения САПР метеорологической поддержки Замкнутой системы управления «Природа -Техногеника». // Материалы XVI межд. конференции по мягким вычислениям и измерениям (SCM-2013), - Спб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. С. 97-100.

8. До Суан Чо. Вопросы метеорологической поддержки в Замкнутой системе управления " Природа - Техногеника ". // Материалы XIX межд. конф. «Современное образование: содержание, технологии, качество». — Спб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013, Том 1.- С. 101-103.

9. R.I. Solnitsev, Do Xuan Cho. The Simulation subsystem of Nature-Technogenic system // Моделирование подсистемы систем "Природа - Техногеника"// Informational Conference Southeast Asian Open and Distance Learning in the 2Ist Century "ISODL" 2012, p.122- 125.

10. R.I. Solnitsev, Do Xuan Cho, G.I. Korshunov. The mobile control system for the air pollutants compensation // Систем подвижного управления компенсаций загрязняющих воздух веществ // Journal of Science (Hanoi National University of

Education) - 2013.

11. Сольницев Р.И. До Суан Чо. Замкнутая система управления Природа -Техногеника. // Доклад на Учёном Совете Института Экологических Технологий Вьетнамской Академии Наук (ИЭТ ВАН), Ханой, 24 октября 2012 г.

Подписано в печать 21.11.13. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 128. Отпечатано с готового оригинал-макета Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5 Тел./факс: 346-28-56

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

"ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ)

На правах рукописи

04201453329

ДО СУАН ЧО

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ, ПРОГРАММНОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ САПР УСТРОЙСТВ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ «ПРИРОДА - ТЕХНОГЕНИКА »

Специальность: 05Л3.12 - Системы автоматизации проектирования

(промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор,

Сольницев.Р.И.

Санкт-Петербург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 4

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1 МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ « ПРИРОДА - ТЕХНОГЕНИКА » 15

1.1. Влияние метеорологических возмущений на функционирование замкнутой системы управления «Природа - Техногеника» 15

1.2. Роль САПР при проектировании замкнутой системы управления «Природа- Техногеника» в условиях влияния метеорологических возмущений 25

1.3. Функциональная схема Подсистемы САПР «Метеорологическая Поддержка» 26

Выводы по первой главе 29

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОДСИСТЕМЫ САПР «МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА» 30

2.1. Алгоритмизация обработки метеорологических данных как нестационарных случайных процессов 30

2.2. Алгоритмизация формирования входных сигналов для автоподстройки ПИД - регулятора в замкнутой системе управления «Природа-Техногеника» 37

Выводы по второй главе 42

ГЛАВА 3 ПРОГРАММНОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ САПР «МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА» 43

3.1. Разработка структуры программного обеспечения 43

3.2. Построение базы данных 49

3.3. Программные средства Подсистемы САПР «Метеорологическая Поддержка» 59

Выводы по третьей главе 80

ГЛАВА 4 ПРИМЕНЕНИЕ ПОДСИСТЕМЫ САПР

«МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА» 81

4.1. Подсистема САПР «Метеорологическая Поддержка» -инструмент проектировщика замкнутой системы управления «Природа-Техногеника» 81

4.2. Тестирование Подсистемы САПР «Метеорологическая Поддержка» 89

4.3. Выполнение проектных процедур средствами Подсистемы САПР «Метеорологическая Поддержка» 95

Выводы по четвертой главе 102

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 105

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ЗСУ пт Замкнутая система управления "Природа -Техногеника "

УМП Устройство метеорологической поддержки

зв Загрязняющее вещество

нсп Нестационарный случайный процесс

пид Пропорционально-интегрально-дифференциальный

изв Источник загрязняющих веществ

ОА Очистный агрегат

ссми Стационарные станции метеорологической информации

цми Центр метеорологической информации

БВМД Блок ввода метеорологических данных

БОМД Блок обработки метеорологических данных

БПМД Блок передачи метеорологических данных

ОУ Объект управления

БД База данных

МБЛА Малогабаритные беспилотные летающие аппараты

V Скорость ветра

Г Температура

Влажность

р Давление

Ти Интервал текущего усреднения

(у) Скорость потока переноса ЗВ

X Время запаздывания переноса ЗВ

Возмущающее воздействие (компенсируемая составляющая топливных газов)

т Параметрические воздействия под влиянием метеорологических возмущающий

СО) Сигнал управления автоподстройкой,

Ки Коэффициент передачи интегрирующего звена в ПИД -регуляторе

ВВЕДЕНИЕ

Основными проблемами начала XXI века стали загрязнение окружающей среды и истощение природных ресурсов с ростом промышленного потенциала и транспорта. В частности широко обсуждаются вопросы парникового эффекта, выбросов вредных веществ и т. д. Эти проблемы также рассматривались на правительственном уровне, подтверждением чего является подписание Киотского протокола, решения 18-ой конференции Рамочной Конвенции ООН об изменении климата, состоявшейся в Дохе (Катар 12.08.2012г).

В январе 2008 г. на заседании Совета Безопасности под председательством Президента РФ В. В. Путина была затронута тема обеспечения экологической безопасности страны и необходимости реализации конкретных практических задач, направленных на защиту природы. Д.А. Медведев отметил, что "число нарушений экологического законодательства руководством "грязных" предприятий растет с каждым годом, поскольку штраф за экологические нарушения во много раз меньше стоимости так называемых "платежей за согласование экологических требований", а эти платежи сами превратились в способ кормления значительной части федерального и регионального чиновничества".

Президент России Д.А. Медведев 7 июля 2011 г. подписал указ № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации», в котором «нашлось» место и проблемам рационального природопользования, а среди критических технологий -технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды.

В последние десятилетия антропогенные факторы загрязнения атмосферы стали превышать по масштабам естественные, приобретая глобальный характер. Выбрасываемые в атмосферу вредные примеси не

только уничтожают живую природу, отрицательно воздействуют на здоровье людей, но и способны изменить свойства самой атмосферы, что может привести к нежелательным экологическим и климатическим последствиям, поэтому в настоящее время проблемы снижения загрязняющих веществ (ЗВ) стали особо актуальными.

Физическая сторона рассматриваемой проблемы связана с анализом эмиссии распространения и поглощения ЗВ. В работах [2, 3, 4, 5, 17] Берлянда М.Е., Кондратьева К .Я., Щербакова А.Ю., Ландсберга Г.Е., Бузало Н.С., Гаргер Е.К., Марчука Г.И., Борисенкова Е.Л. исследовались процессы распространения ЗВ от точечных, линейных и площадных источников как непрерывного, так и мгновенного действия.

В работах Израэля Ю.А., Конопелько Л.А., Горелика Д.О., Назарова И.М. и других учёных, а также на многочисленных симпозиумах, конференциях, совещаниях предлагались средства мониторинга ЗВ и очистки атмосферы, как правило, локального применения. Принципиальное решение проблем снижения уровня ЗВ представляется путём создания системы управления «Природа - Техногеника», обеспечивающей минимизацию ЗВ, поступающих от техногенных объектов путем регулирования агрегатов очистки источников этих ЗВ. В работах [24, 26, 33, 34, 39, 42, 44] профессора Сольницева Р.И. и его учеников предложена и развита концепция создания замкнутой системы управления «Природа - Техногеника» (ЗСУ ПТ).

Особенностями этой концепции является построение ЗСУ ПТ как САУ с целью минимизации ЗВ в режиме реального времени, а также минимизация влияния «Человеческого фактора » [31, 32, 43, 45, 46, 47].

Проектирование ЗСУ ПТ включает многоэтапный процесс от согласования технического задания до подготовки пилотного образца.

На содержание ЗВ в потоке атмосферного воздуха в значительной степени оказывают влияние метеорологические условия, а именно: скорость и направление ветра, температура, влажность, давление. Они в определенной

степени влияют на накопление, перенос и рассеивание вредных веществ. В этой связи задачей управления в этой системе является непрерывное обеспечение метеорологической поддержки в ЗСУ ПТ [8, 30].

В соответствии с отмеченными обстоятельствами в ЗСУ ПТ необходимо разработать устройства метеорологической поддержки (УМП), включающие блоки накопления, обработки метеоданных, ввода их в блок управления очистными агрегатами с целью компенсации нежелательных отклонений от заданных критериев устойчивости и качества ЗСУ ПТ как САУ.

Решение этой задачи невозможно без разработки и применения САПР УМП. Поэтому рассматриваемая здесь подсистема САПР УМП наряду с уже разработанными подсистемами [22, 32, 37] является необходимым инструментом проектировщика [27, 34, 35].

В процессе разработки этой подсистемы САПР УМП потребовалось осуществить:

• Анализ степени влияния метеорологических параметров атмосферы на функционирование ЗСУ ПТ, а также средств автокомпенсации этого влияния.

• Исследование и разработку основных обеспечений подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ.

• Практическое применение подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ.

Разработка такой подсистемы позволит обеспечить процесса

проектирования УМП ЗСУ ПТ с целью компенсации метеорологических возмущений в режиме реального времени.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ, включающей математическое, программное и информационное обеспечения.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка алгоритмической схемы подсистемы САПР УМП ЗСУ

ПТ.

2. Адаптация алгоритмов анализа нестационарных случайных процессов (НСП) на основе методов скользящего усреднения и разработка их программной реализации для обработки метеорологических данных.

3. Анализ точности обработки метеорологических данных при приведении НСП к эквивалентным стационарным случайным процессам.

4. Алгоритмизация формирования закона управления автоподстройкой ПИД - регулятора.

5. Построение базы данных УМП ЗСУ ПТ (БД УМП ЗСУ ПТ).

6. Разработка программного обеспечения подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ.

7. Разработка интерфейса пользователя подсистемой САПР УМП ЗСУ ПТ как инструмента проектировщика ЗСУ ПТ.

Методы исследования. Основные теоретические и прикладные результаты работы получены на базе применения теории вероятностей, математического моделирования и вычислительного эксперимента, теории систем автоматического управления, теории САПР.

Объектом исследования диссертационной работы являются УМП ЗСУ ПТ, включающие блоки "обработка", "программатор", "преобразование" как средства управления автоподстройкой ПИД - регулятора.

Предметом исследования в работе являются исследование и разработка алгоритмов обработки метеорологических данных как НСП, алгоритмизация формирования закона автоподстройки ПИД - регулятора и программная реализация разработанных алгоритмов.

Достоверность научных результатов подтверждается теоретическим анализом, предложенных алгоритмов обработки и передачи метеорологических данных, моделированием ЗСУ ПТ с учётом воздействия метеорологических возмущений, статистическими экспериментами.

Научные положения, выносимые на защиту.

• Алгоритмическая схема подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ.

• Алгоритмы обработки метеорологических данных.

• Алгоритмы оценки точности обработки метеорологических данных.

• Алгоритмизация формирования законов автоподстройки ПИД -регулятора ЗСУ ПТ.

• Структура программного обеспечения подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ .

• Результаты анализа применения подсистемы САПР УМП ЗСУ

ПТ.

Научная новизна работы состоит в разработке:

• Функциональной схемы подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ, включающей блоки сбора, обработки и передачи метеорологических данных в ЗСУ ПТ после получения их из центра метеорологической информации (района, промзоны) в режиме реального времени.

• Алгоритмов обработки метеорологических данных путём сведения НСП к эквивалентным стационарным.

• Алгоритмов оценки точности обработки метеорологических данных, позволяющих вычислять характеристики близости анализируемого НСП к эквивалентным стационарным случайным процессам.

и

• Алгоритмизации формирования закона управления автоподстройкой ПИД - регулятора с целью компенсации метеорологических возмущений на ЗСУ ПТ как САУ.

Практическая ценность работы заключается в реализации разработанных алгоритмов математического, программного и информационного обеспечений в виде подсистемы САПР ЗСУ ПТ. Эта подсистема позволяет осуществлять проектирование ЗСУ ПТ с учётом влияния метеорологической обстановки в режиме реального времени, выпускать соответствующую техническую документацию и повысить качество проектирования этой системы в целом.

Реализация и внедрение результатов. Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Санкт - Петербургского государственного электротехнического университета «СПбГЭТУ» "ЛЭТИ" и практических работах Института Экологических Технологий Вьетнамской Академии Наук.

Данная работа выполнена в рамках международного сотрудничества Ханойского Открытого Университета (ХОУ) и СПбГЭТУ "ЛЭТИ" в соответствии с соглашением о международном образовательном сотрудничестве вузов России и Вьетнама.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• XIV международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (SCM'2012), Россия, Санкт-Петербург, 25 - 27 июнь 2012г.

• Informational Conference Southeast Asian Open and Distance Learning in the 21st Century "ISODL" 27 October 2012.

• XIX международная конференция «Современное образование: содержание, технологии, качество, Россия, Санкт-Петербург, 24 апреля 2013г.

• XV международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (SCM'2013), Россия, Санкт-Петербург, 23 - 25 май 2013г.

• Anniversary Scientific International Conference 45 years Computer Science and Engineering Department, Technical University Of Varna, 27-28 September 2013, Varna, Bulgaria.

• Учёный Совет Института Экологических Технологий Вьетнамской Академии Наук (ИЭТ ВАН), Ханой, Вьетнам, 24 октября 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей, из них - 4 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 1 статья в другом издании, 6 докладов на международных, всероссийских и межвузовских научно-технических конференциях.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы.

В первой главе приводятся проблемы снижения уровня ЗВ в атмосфере. Подтверждается, что в настоящее время применение ЗСУ ПТ для управления минимизацией ЗВ является актуальным решением проблемы. Показывается, что одним из важных факторов влияния на функционирование ЗСУ ПТ, являются метеорологическая обстановка в зоне действия этой системы и для управления потока переноса ЗВ в атмосфере в ЗСУ ПТ от источников до точки измерения (объект управления) в режиме реального времени, необходимо непрерывное поступление метеорологических данных в регуляторы ЗСУ ПТ.

Поскольку метеорологические данные меняются за времени, то система неустойчива. Поэтому необходимо проектирования УМП ЗСУ ПТ с целью компенсации метеорологических возмущений по критериям устойчивости и качества ЗСУ ПТ как САУ. Для решения этой задачи рассмотрены задачи автоматизации проектирования подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ, как, инструментом проектировщика. Целью диссертационной работы является разработка и исследование подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ. Предложена функциональная схема УМП ЗСУ ПТ, включающая блоки "обработка", "программатор", "преобразование" для сбора и передачи метеорологических данных в ЗСУ ПТ в режиме реального времени.

Во второй главе приведены алгоритмы обработки, оценки точности обработки, передачи метеорологических данных и алгоритмизации формирования законов автоподстройки ПИД - регулятора в ЗСУ ПТ.

Обработка метеорологических данных как НСП весьма за трудной, поэтому рассмотрены алгоритмы сглаживания (скользящего усреднения) для приведения НСП к эквивалентным стационарным процессам и алгоритмы оценки точности такого приведения.

Проводится алгоритмизация формирования закона управления автоподстройкой ПИД - регулятора в ЗСУ ПТ для компенсации метеорологических возмущений.

В третьей главе рассматривается разработка программного обеспечения САПР УМП ЗСУ ПТ. Предложены способы построения БД УМП ЗСУ ПТ с помощью СУБД SQL Server 2012 в соответствии с требованием обеспечения поступления метеорологических данных в ЗСУ ПТ в режиме реального времени. Рассмотрены способы построения программного обеспечения на основе среды Matlab 2011b, включающие блок модулей обработки, блок модулей автоподстройки ПИД - регулятора, модули оценки точности. Предложена структура программного обеспечения подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ.

В четвертой главе рассмотрена методика применения подсистемы САПР У МП ЗСУ. Представлены результаты тестирования подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ. Приведены результаты применения подсистемы САПР УМП ЗСУ ПТ для обработки метеорологических данных, оценки точности этой обработки и формирования входных сигналов для автоподстройки ПИД -регулятора в ЗСУ ПТ.

ГЛАВА 1. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ «ПРИРОДА - ТЕХНОГЕНИКА»

1.1. Влияние метеорологических возмущений на функционирование замкнутой системы управления «Природа- Техногеника»

В [24, 31, 32, 39, 42] показано, что ЗСУ ПТ, предназначенная для любого предприятия "загрязнителя" сводится к системе автоматического управления (САУ) по контуру измерения концентрации (ма�