автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.02, диссертация на тему:Метод вспомогательных систем для идентификации динамических объектов с ненаблюдаемым входом

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ПРОБЛЕМЫ ТЕОРИИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ

ОБЪЕКТОВ

1.1. Особенности задачи идентификации

1.2. Современные методы параметрической идентификации динамических объектов.

1.3. Постановка задачи.

Глава 2. ОСНОВЫ МЕТОДА ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.

2.1. Описание схемы метода вспомогательных систем

2.2. Требования к выбору вспомогательной системы.

Выводы по главе 2.

Глава 3. ОЦЕНИВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЕЙ, НЕ СОДЕРЖАЩИХ

ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИХ ЗВЕНЬЕВ.

3.1. Основные уравнения и методика оценивания.

3.2. Применение нелинейных вспомогательных систем

3.3. Расчет погрешностей оценок

3.4. Метод вспомогательных систем при случайных входных воздействиях

Выводы по главе 3.

Глава 4. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЛИНЕЙНЫХ СТАЦИОНАРНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ

ОБЪЕКТОВ ОБЩЕГО ВИДА.

4.1. Основные уравнения и процедура параметрической идентификации.

4.2. Использование линейных нестационарных вспомогательных систем.

4.3. Идентификация частотных характеристик динамических объектов.

Выводы по главе 4.

Глава 5. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА И ЕГО

ПРИМЕНЕНИЕ.

5.1. Описание алгоритма, реализованного в программном комплексе МВСТ.

5.2. Описание состава программного комплекса МВСТ.

5.3. Примеры практического применения метода вспомогательных систем.

Выводы по главе 5.

Повышение производительности труда и качества выпускаемой продукции невозможно без широкого применения методов и идей современной теории автоматического управления. Одним из главных направлений работ по ускорению научно-технического прогресса, предусмотренных постановлением ЦК КПСС и СМ СССР н0 мерах по ускорению научно-технического прогресса в народном хозяйстве" (1983 г.), является широкая автоматизация технологических процессов на основе применения вычислительной техники. При этом качество функционирования автоматической системы в значительной мере зависит от точности используемой модели и ее адекватности • объекту управления. Разработкой методов построения математических описаний сложных процессов занимается теория идентификации. Этот раздел теории управления интенсивно развивается с конца 50-х годов. Помимо технических приложений методы и приемы идентификации нашли применение в таких областях, как экономика, медицина, биология и др.

Основой для создания модели объекта служат результаты наблюдений (измерений) его входных и выходных переменных. При этом точность идентификации зачастую ограничена точностью, с которой получены экспериментальные данные. В частности, на практике нередко складывается ситуация, когда из-за отсутствия образцовой аппаратуры (например, в связи с тем, что ее стоимость превышает допустимые затраты) не удается сформировать либо измерить,с необходимой определенностью, типовой испытательный сигнал. Поскольку в данном случае традиционные методы оценивания не позволяют достичь требуемой точности, актуальным является решение проблемы идентификации объектов с неизвестным (ненаблюдаемым входом).

В настоящей работе развивается и исследуется подход к идентификации динамических объектов при отсутствии информации о входе. Он основан на использовании в схеме наблюдений искусственной структурно-временной избыточности: введении известной вспомогательной системы, которая проще изучаемого объекта, и проведении дополнительных наблюдений за реакцией объекта на преобразованный вспомогательный системой неизвестный входной сигнал. Результаты, полученные с помощью метода вспомогательных систем, позволили повысить точность оценивания и были применены для идентификации каналов реакционно-нагревательного узла при автоматизации процесса гидрокрекинга, для идентификации целей в прецизионных радиолокационных системах слежения и при определении динамических характеристик индуктивного датчика давления с мембраной. Выполненные исследования непосредственно связаны с целевой комплексной программой ГКНТ СССР 0.Ц.026 (Автоматизация управления технологическими процессами).

Диссертационная работа состоит из пяти глав, введения, заключения и приложений.

В первой главе рассмотрено общее состояние теории идентификации. Дан анализ основных подходов и их возможных реализаций в задачах оценивания. Обосновывается выбор темы диссертации и определяются ее основные разделы.

Вторая глава посвящена описанию основ метода вспомогательных систем. Приводятся требования к выбору вспомогательных систем и рассмотрены особенности реализации метода для идентификации линейных стационарных динамических объектов.

В третьей главе рассмотрена методика параметрической идентификации линейных стационарных объектов, модели которых не содержат дифференцирующих звеньев. Дан анализ погрешностей получаемых оценок и приведены формулы для их расчета.

В четвертой главе разработана процедура оценивания параметров линейных стационарных объектов, поведение которых описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями общего вида. Рассмотрены вопросы, касающиеся идентификации частотных характеристик.

Пятая глава посвящена применению разработанных алгоритмов и программ к задачам идентификации реальных объектов.

В заключений подведены итоги и сформулированы основные результаты работы.

В приложении описан способ восстановления неизвестного входного воздействия без предварительной идентификации динамических характеристик объекта, приведен текст программного комплекса, реализующего метод вспомогательных систем, и акты о внедрении результатов работы в НПО "Нефтехимавтоматика", ВИКИ им. А.Ф. Можайского и НИИ стандартприбор.

Основные положения диссертации были опубликованы в работах автора [бб], ¡61], [71], [74], По материалам работы имеется авторское свидетельство на изобретение [85^

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработан метод идентификации объектов с ненаблюдаемым входом, предусматривающий введение в схему измерений искусственной структурно-временной избыточности. В развиваемом методе недостающая информация, необходимая для построения модели объекта, получается за счет дополнительных наблюдений за реакцией объекта на входной сигнал, преобразованный с помощью известной ВС.

2. Разработана методика выбора ВС. Показано, что при идентификации динамических линейных стационарных объектов ВС должна быть нелинейной либо линейной нестационарной.

3. Разработан метод оценивания параметров линейных стационарных объектов с неизвестным входом, поведение которых описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями.Получены соотношения для определения частотных характеристик динамических объектов.

4. Разработаны модификации метода ВС для объектов, модели которых не содержат дифференцирующих звеньев. Проведен анализ погрешностей оценивания и получены формулы для их расчета.

5. Разработаны вычислительные процедуры и программный комплекс, реализующий метод ВС. С помощью разработанного алгоритмического и программного обеспечения решены прикладные задачи по идентификации каналов реакционно-нагревательного узла при автоматизации процесса гидрокрекинга, идентификации целей в прецизионных РЛС слежения и динамической градуировки датчика давления автоматической системы. Программный комплекс метода ВС включен в отраслевой фонд алгоритмов и программ по АСУ Ш НПО "Нефтехимавтоматика" и использован в работе ВИКИ им. А.Ф. Можайского и НИИ стандартприбор. Акты о внедрении прилагаются.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Основы управления технологическими процессами / Под ред. Райбмана Н.С. - М. : Наука, 1978. - 440 с.

2. Дисперсионная идентификация / Под ред. Райбмана Н.С. М.: Наука, 1981. - 336 с.

3. Евланов Л.Г. Контроль динамических систем. М.: Наука, 1972. - 424 с.

4. Райбман Н.С. Идентификация объектов управления (обзор).- Автоматика и телемеханика, 1979, № 6, с.80-93.

5. Rajbman IT.S. The application of identification methods in the USSR, a survey. Automatica,1976,v.l2, No l,p.73-95.

6. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. М. : Мир, 1975. - 688 с.

7. Цыпкин Я.З. Адаптация и обучение в автоматических системах.- М. : Наука, 1968. 399 с.

8. Попков Ю.С., Киселев О.Н., Петров Н.П., ПЬдульян Б. Л. Идентификация и оптимизация нелинейных стохастических систем. М. : Энергия, 1976. - 440 с.

9. Балакирев C.B., Дудников Е.Г., Цирлин A.M. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов.- М. : Энергия, 1967. 232 с.

10. Перельман И.И. Оперативная идентификация объектов управления.- М. : Энергоиздат, 1982. 1982. - 272 с.

11. Сейдж Э.П., Мелса Д. Л. Идентификация систем управления. М. : Наука, 1974. - 248 с.

12. Гроп Д. Методы идентификации систем. М. : Мир, 1979. - 304 с.13. -Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами. -М.: Мир, 1973. 960 с.

13. Цыпкин Я.З. Синтез оптимальной настраиваемой модели в задачах идентификации. Автоматика и телемеханика, 1981, № 12, с.62-77.

14. Saridis G.N.»Hofstadter R.F. Pattern recognition approach to the classification of nonlinear systems. 1БЕЕ Transactions on Systems,Men and Cybernetics, 1974, SMC-21, Ho 4, p.362-371.

15. Попков Ю.е. Восстановление структурных особенностей нелинейных динамических систем. В кн.: Теория автоматического управления. М.: Наука, 1972, с.400-408.

16. Круг Г.К., Сосулин Ю.А., Фатуев В.А. Планирование эксперимента в задачах идентификации и экстраполяции. М. : Наука, 1977. - 208 с.

17. Райбман Н.С., Чадеев В.М. Области применения различных методов идентификации. Автоматика и телемеханика, 1969, & 6, с.203-204.

18. Капитоненко В.В., Саввин А.Б. Восстанавливающие эксперименты в задачах идентификации. Автоматика и телемеханика, 1972, № I, с.155-160.

19. Щумский В.М., Зырянова Ji. А. Инженерные задачи в нефтепереработке и нефтехимии. М. : Химия, 1981. - 256 с.

20. Kerr R.B. Statistical, structural and regression models in linear process identification.- In the papers: Joint Automatic Control Conference, 1965, p.458-466.

21. Таран В.А. Условия существования и единственности оптимальной линейной модели динамических объектов. Автоматика и телемеханика, 1970, В II, с.I05-II5.

22. Щубладзе A.M. Об одном способе идентификации. Автоматика и телемеханика, 1975, $ II, с.80-92.

23. Бренер М.Д., Солопченко Г.Н., Хрумало В.М. Методы определения динамических характеристик средств измерений. Измерения,- но контроль, автоматизация, 1979, вып.1 (17), с. 19-29.

24. Гордин И.Ц. Условия реализуемости мгновенного воздействия.- Известия вузов. Приборостроение, 1970, № 6, с.39-43.

25. Тимофеев В.М. Погрешность определения динамических характеристик линейных систем при импульсном возбуждении. Известия вузов. Приборостроение, 1979, të 10, с.32-37.

26. Доценко В.И. Анализ погрешностей при идентификации линейных объектов с использованием псевдослучайных двоичных сигналов.- Труды МЭИ, 1969, вып.68, с. 83-92.

27. Popkov Yu. S. Restoration of dynamic characteristics of nonlinear plants in the presence of noise.- Proceedings of the IFAC symposium:.Identification in automatic control systems. Prague, 1967, p. 10-15.

28. Рождественский Ю.Б., Щумский В.М, Оценивание параметров статической модели объекта с учетом погрешностей измерений.- Автоматика и телемеханика, 1979, № 5, с.184-187.

29. Гординский А.А. Стратегия эксперимента и оценивание параметров при неточных измерениях входных переменных. В кн.: Промышленный эксперимент в АСУ ТП. Сб. научных трудов ЦНИИКА, 1982, с.26-30.

30. Федоров В.В. Регрессионный анализ при наличии погрешностей в определении предиктора. В кн.: Вопросы кибернетики. Москва: Научный совет по комплексной проблеме "Кибернетика" АН СССР, 1978, вып.47, с.69-75.

31. Ефимов А.Н., Кутеев В.М. Безэталонные измерения и идентификация методами теории порядковых статистик. Автоматика и телемеханика, 1978, № 12, с.30-36.

32. Benveniste A.,Goursat M.,Ruget G, Robust identification of a nonminimum phase system: "blind adjustment of a linear equalizer in data communications.-IEEE Transactions on Automatic

33. Control, 1980, AC-25,1-T 3,P-385-399

34. Якубович A.M. Идентификация погрешностей и тестовых воздействий в самокорректирующихся информационных системах с тест-прибором. Автоматика и телемеханика, 1978, № II, с.88-101.

35. Бромберг Э.М., Куликовский К. Л. Тестовые методы повышения точности измерений. М.: Энергия, 1978. - 176 с.

36. Капустинскас А.И. 2-канальное оценивание параметров случайного процесса по зашумленным наблюдениям. Труды АН Литовской ССР, серия Б, 1979, т. 4 (113), с.ПЗ-122.

37. Мясников В.А., Игнатьев М.Б., Покровский A.M. Программное управление оборудованием. Ленинград: Машиностроение, 1974. - 540 с.

38. Норкин К.Б. Поисковые методы настройки управляемых моделей в задачах определения параметров объектов. Автоматика и телемеханика, 1968, №11, с.61-67.

39. Merhav S.J., Gabay Е. On simultaneous structure and parameter identification of linear dynamical systems. IEEE Transactions on Automatic Control, August 1974, v.AC-19,1. Ho 4, p.401-404-.

40. Бард Й. Нелинейное оценивание параметров. М.: Статистика, 1979. - 349 с.

41. Мироновский Л.А., Юдович B.C. Об одном подходе к идентификации линейных стационарных объектов. Автоматика и телемеханика, 1978, Я I, с. 60-67.

42. Приспосабливающиеся автоматические системы. Под ред. Э. Мишкина и Л. Брауна. М.: Изд-во иностр. лит., 1963. - 671 с.

43. Крементуло Ю.В., Воронова Л.И. О некоторых методах непосредственного определения параметров динамических систем, находящихся под действием произвольных возмущений. В кн.: Оптимальные системы. Статистические методы. М.; Наука, 1967,с.343-352.

44. Shinbrot М. On the analysis of linear and nonlinear systems.- Transactions ASME, April 1957, v.79, p.547-552.

45. ЬоеЪ J.M., Cahen G.M. More about process identification. -IEEE Transactions on Automatic Control, July 1965, v.AC-10, No 4, p.359-361.

46. Takaya K. The use of Herraite functions for system identification.- IEEE Transactions on Automatic Control, August 1968, V. AC-13, No 4, p.446-447.

47. Андрющенка Й.А., Нямура А.А. Некоторые аспекты применения финитных функций в задачах идентификации функционирующих линейных динамических систем. Труды АН Литовской ССР, серия Б, 1971, т.4 (67), с.157-173.

48. Марков С.И. О методе модулирующих функций для идентификации стационарных объектов. В кн.: Прикладные задачи технической кибернетики. Киев: Наукова думка, 1972, с. 212-228.

49. Лайон П.М. Быстрая идентификация линейных и нелинейных систем. Ракетная техника и космонавтика, 1967, т.5, I 10,с. 130-139.

50. Янг П.К. Метод параметрической оценки и адаптивного управления. В кн.: Теория самонастраивающихся систем управления. М.: Наука, 1969, с.123-143.

51. Игнатьев М.Б., Мироновский Л.А., Юцович B.C. Алгоритмическая система для идентификации объектов по результатам эксперимента. В кн.: Алгоритмы и системы автоматизации исследованийи проектирования. М.: Наука, 1980, с.79-90.

52. Венец В.И., Дудников Е.Е., Рыбашов М.В. Регулирование и оптимизация статических объектов при инерционных управлениях.- Автоматика и телемеханика, 1977, Jfc 12, с.5-13.- из

53. Дудников Е.Г. Основы автоматического регулирования тепловых процессов. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1956. - 264 с.

54. Макаров Г.Н., Умаров Н.Н. Погрешности измерений в автоматизированных системах контроля и управления технологическими процессами. Метрология, 1980, № 6, с.25-30.

55. Тарбеев Ю.В., Гордов А.Н. и др. Основные задачи метрологического обеспечения динамических измерений. Измерительная техника, 1979, № 4, с.10-13.

56. Белорусец В.Б., Ефимчик М.И. Идентификация линейных стационарных систем при неизвестном входном сигнале. В кн.: Статистические проблемы управления. Вильнюс: Изд-во Ин-та математики и кибернетики АН Лит.ССР, 1979, вып.41, с.49-56.

57. Nicolson A.M. , Ross G.F. Measurement of the intrinsic properties of materials "by time-domain techniques. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, November 1970, v.IM-19, No 4, p.377-382.

58. Marshall J.E. Commutativity of time-varying systems. -Electronics Letters, 1977, v.13, No 18, p.539-540.

59. Попков Ю.С. функциональные ряды в теории динамических управляемых систем. М., 1976. - 75 с. (Препринт / Ин-т проблем управления).

60. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. М.: Наука, 1969. - 424 с.

61. Белорусец В.Б. Метод вспомогательных систем для идентификации динамических объектов при неизвестном входном воздействии. Автоматика и телемеханика, 1981, J6 8, с.76-82.

62. Форсайт Де., Молер К. Численное решение систем линейных алгебраических уравнений. М.: Мир, 1969. - 168 с.

63. Всеволожский Л.А. Определение погрешностей совместных измерений. Метрология, 1978, № 10, с.П-15.

64. Ланкастер П. Теория матриц. М.: Наука, 1982. - 272 с.

65. Белорусец В.Б. Метод вспомогательных систем для идентификации объектов с ненаблюдаемым входом: детерминированный и стохастический варианты. В кн.: Динамика неоднородных систем. М.: ВНИИ системных исследований, 1982, с.85-95.

66. Андреев Н.И. Теория статистически оптимальных систем управления. М.: Наука, 1980. - 416 с.

67. Пугачев B.C., Казаков И.Е., Ёвланов Л.Г. Основы статистической теории автоматических систем. М.: Машиностроение, 1974,- 400 с.

68. Лившиц H.A., Пугачев В.Н. Вероятностный анализ систем автоматического управления. М.: Советское радио, 1963, т.2.- 484 с.

69. Пупков К.А., Капалин В.И., йценко A.C. функциональные ряды в теории нелинейных систем. М.: Наука, 1976. - 448 с.

70. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. - 768 с.

71. Белорусец В.Б. Идентификация динамических объектов с ненаблюдаемым входом. В кн.: Статистические проблемы управления. Вильнюс: Изд-во Ин-та математики и кибернетики АН Лит.ССР, 1984, вып.63, с.157-172.

72. Краснов М.Л. Интегральные уравнения. М.: Наука, 1975.- 304 с.

73. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975. - 535 с.

74. Белорусец В.Б., Левитас Б.Н. Метод измерения частотной характеристики линейных измерительных устройств. Техника средств связи, серия Радиоизмерительная техника, 1979, вып.З (21),с.24-28.

75. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.:

76. Советское радио, 1977, 608 с.

77. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978. - 512 с.

78. Гильбо Е.П., Челпанов И.Б. Обработка сигналов на основе упорядоченного выбора. М.: Советское радио, 1975. - 344 с.

79. Смоляк С.А., Титаренко Б.П. Устойчивые методы оценивания. М.: Статистика, 1980. - 208 с.

80. Дудников Е.Г., Балакирев B.C., Кривсунов В.Н., Цирлин А.М. Построение математических моделей химико-технологических объектов. Л.: Химия, 1970. - 311 с.

81. Андриянов A.B., Глебович Г.В., Крылов В.В., Корсаков С.Я., Пономарев Д.М. Автоматизированные измерения во временной области и повышение их точности. Измерительная техника, 1980, J& 9, с. 42-44.

82. Рабочие материалы по НИР х/д $ 66-80. МО СССР, 1983. -227 с.

83. Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М.: Машиностроение, 1972. - 332 с.

84. A.c. 794559 (СССР). Способ измерения формы и спектральной плотности сигналов / В. Б. Белорусец, М.И. йфимчик, Б.Н. Ле-витас, Б.А. Челноков. Опубл. в Б.И., 1981, № I.

85. Белорусец В.Б. Восстановление входного воздействия по отклику прибора с использованием вспомогательных систем. В кн.: Статистические проблемы управления. Вильнюс: Изд-во Ин-та математики и кибернетики АН Лит.ССР, 1979, вып.41, с.37-47.