автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Основы теории и методы проектирования бинарных систем управления динамическими объектами строительного производства

РЧ8 ОД

1 Московский орлена ТрудовЬго Красного Знамени 1 £ ДПР 1Щтомоб„ЛЬно-дороЖный институт

На правах рукописи

ГРИГОРЬЕВ Вадим Алексеевич

УДК 658.52.01157.(043).

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БИНАРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.13.07. - Автоматизация технологических

процессов и производств (в строительстве)

Автореферат диссертации па соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1993

. Работа выполнена в Тверском ордена Трудового Красного Зна-' мени политехническом институте..

Официальный научный руководитель докторанта ТвеПИ академик АН РФ C.B. Емельянов.

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор О.М. Петров, доктор технических наук, профессор В.А.Горшков,

доктор технических наук, профессор Г.А. Дмитриев.

Ведущая организация - Институт проблем управления Академии наук Российской Федерации, г. Москва.

Защита состоится " 1993г. в час на засе-

дании специализированного совета Д.053.30.07 при Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте по адресу 125829, Москва, Ленинградский пр. 64.

С -диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять на имя ученого секретаря специализированного срвета.

Автореферат разослан " 2S» О3 1993г.

Ученый секретарь специализированного Совета, ■ кандидат технических наук, Доцент Н.В. Михайлова

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Автоматизация технологических процессов на предприятиях строительной индустрии должна основываться на применении агрегатированных комплексов технических средств, использовании методов оптимального и адаптивного управления и диалоговых систем автоматизированного проектирования.

Созданная под руководством академика C.B. Емельянова теория бинарных систем автоматического управления позволяет получать эффективные алгоритмы управления при синтезе локальных систем управления. Несмотря на достигнутые результаты по разработке нелинейных законов управления в классе бинарных систем, непрерывно растущие требования к динамической точности САУ, задачи внедрения программируемых средств автоматики в АСУ ТП и разработки на их базе распределенных систем управления динамическими объектами и процессами строительного производства настоятельно требуют создания новых эффективных алгоритмов функционирования, совершенствования алгоритмической структуры программируемых средств автоматики .

Структурный и параметрический синтез алгоритмов бинарного управления, а также их анализ связаны с значительными трудозатратами на проведение имитационных экспериментов, так как аналитическое исследование данных систем при наличии запаздывания весьма затруднено. В связи с этим важной задачей является разработка программного проблемно-ориентированного комплекса для синтеза и анализа бинарных САУ, позволяющего автоматизировать разработку алгоритмического обеспечения и сократить затраты на исследования.

Бинарные САУ являются эффективным средством управления нестационарными динамическими процессами в условиях параметрической неопределенности, поэтому разработка на их основе алгоритмического и программного обеспечения программируемых средств автоматики,позы-кение эффективности систем управления, расширение области их применения несомненно, является актуальной проблемой теории и практики автоматического управления, позволяющей решить задЗчи увеличения объема выпускаемой продукции и повышения ее качества на пред-приятйях строительной индустрии. .

Цель работы - решение научной проблема, имеющей важное народнохозяйственное значение, по разработке, теоретическому и экспериментальному исследованию комплекса новых методов и алгоритмов управления, основанных на принципах построения бинарных САУ, которые

- "г -

образуют новую методологию в теории и практике автоматизации нестационарных динамических объектов с запаздыванием. Работа направлена на повышение эффективности функционирования и расширение области применения современных АСУ ТП в строительной промышленности.

Поставленная цель достигается путем решения ряда взаимосвязанных основных задач диссертационной работы, состоящих в следующем:

- разработка теоретически и экспериментально обоснованной методологии построения бинарных систем автоматического управления нестационарными динамическими объектами с запаздыванием;

- синтез параметрического семейства новых алгоритмов управления для динамических объектов с запаздыванием и оценка их эффективности функционирования при воздействий неизмеряемых координатных и параметрических возмущении;

разработка методологии построения машинно-ориентированных методов исследования бинарных систем автоматического управления и реализация диалоговой системы синтеза имитационных моделей для автоматизации создания алгоритмического обеспечения программируемых средств автоматики, в том числе алгоритмов бинарного управления;

- разработка, обоснование и исследование методов адаптации в классе бинарных САУ синтезированных алгоритмов управления к параметрическим возмущениям в объекте управления;

- разработка задач автоматизации параметрического синтеза и оптимизации бинарных систем управления нестационарными технологическими объектами и методик параметрического синтеза и расчета параметров настройки алгоритмического обеспечения;

'- разработка и внедрение программного обеспечения бинарных систем управления для микропроцессорных средств автоматизации динамических объектов на предприятиях строительной индустрии.

Развиваемая в работе методология отличается комплексным подходом к решению поставленных задач: созданием диалоговых программных средств для синтеза имитационных моделек бинарных САУ, разработкой на ее основе параметрических семейств алгоритмов бинарного управления нестационарными динамическими объектами с запаздыванием; выполнением анализа и оптимизации динамических свойств систем управления с созданным алгоритмическим обеспечением, разработкой методов параметрического синтеза и инженерных методов расчета параметров настройки синтезированных алгоритмов; практической реализацией и внедрением алгоритмического и программного обеспечения на программируемых средствах автоматики для автоматизации технологи-

ческих процессов.

Метода исследования базируются на использовании аппарата теории бинарных систем автоматического управления, теории систем с переменной структурой, теории'оптимального управления, теории аналитического конструирования оптимальных регуляторов, методов имитационного моделирования и на натурных экспериментах.

Научная новизна работы заключается в создании теоретических основ разработки новых, направленных на повышение зф{ективносги и расширение области применения АСУ ТП методов и алгоритмов управления динамическими объектами с запаздыванием, основанных на принципах построения бинарных систем управления, в условиях параметрических возмущенна и при отсутствии полной априорной информации об объекте управления.

Автором разработана объектно-ориентированная диалоговая система синтеза имитационных моделей бинарных систем управления, предназначенная для автоматизированного синтеза моделей, проведения модельных экспериментов, оптимизации и интерпретации их результатов при синтезе функционально-алгоритмической структуры бинарных САУ, предложен способ автоматического синтеза моделирующих /оптимизирующих/ программ и алгоритм его реализации.

Разработана классификация бинарных алгоритмов управления динамическими объектами с запаздыванием, в основу которой положен вид управляющего воздействия на отдельных участках управления, позволяющая выявить связь синтезированных алгоритмов с линейными законами и обосновать автоматизацию выбора алгоритма из параметрического семейства в зависимости от типа объекта и динамической ситуации.

Исследованы и разработаны новые алгоритмы бинарного управления нестационарными динамическими объектами с запаздыванием и методики их параметрического синтеза, для ряда алгоритмов показана возможность управления структурно неопределенными объектами.

Предложена инженерная методика и получены номограммы расчета оптимальных параметров настройки для разработанного параметрического семейства алгоритмов бинарного управления.

Практическая ценность работы состоит прежде всего в том, что в ней предложена,' обоснована и доведена до конкретных решений методология построения и практического использования нового класса бинарных алгоритмов управления нестационарными динамическими объектами с запаздыванием, применение которых позволяет решить важную

народнохозяйственную задачу расширения области применения и внедрения программируемых контроллеров в АСУ ТП, в частности, на предприятиях строительной индустрии.

В диссертации разработаны новые типы законов управления, на основе которых автором созданы алгоритмическое и программное обеспечение управляющих комплексов и устройства, защищенные авторскими свидетельствами, прошедшие испытания на ряде технологических процессов, что подтверждает возможность и целесообразность использования полученных результатов.

Под руководством автора разработана диалоговая система синтеза имитационных моделей (ШЮД), внедренная для создания бинарных систем управления нестационарными технологическими процессами в Институте проблем управления АН РФ, Институте кибернетики АН Украины, Киевском НПО "Киевский институт автоматики", Институте металлургии и обогащения АН Казахстана, Тверском специальном проект-но-конструкторском бюро средств управления, НПО "Центрпрограммсис-тем" г. Твери и других.

Документально подтвержденный экономический эффект от внедрения результатов работы в ценах 90 г. составляет 970 тыс.. руб.

Реализация в промышленности. Система СШОД внедрена в восьми научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях.сдана в отраслевой фонд программного обеспечения НПО Центрпрог-раммсистем (per. Н 1343).

Внедрение алгоритмического и программного обеспечения бинарных алгоритмов управления дли автоматизации технологических процессов на предприятиях строптелыюи и других отраслей промышленности подтверждено 12 актами, в том числе:

- в Тверском специальном проектно-конструкторском бирс средств управления ПТУ 11ПУ All РФ »immpußopa в составе библиотеки программных средств, роализуиди:; алгоритмы управления, сбора и первичной обработки информации АСУП1 niuiiero уровня;

- иа Редкинскоп они гном заводе в составе алгоритмического и программного обеспечении автоматизированной системы управления и обработки информации;

, - в Опытном ироектко-кпнструкторском бюро автоматики /г: Тверь/ для специализированных комплексов автоматизации нижнего уровня распределенных АСУ ТП;

- В нпо "ii'JllTpnporjMMMt'истви" ДЛЯ (jf,[ 11Ир> 1ГМНИЯ аЛГ'ччпмическчги .-•íVcnnwiH i; -Hill пня И1 !l!.v;ii"«4'i;. í¡; i-i! >.-. ч i vr'i v- "ur.

контроллерах для предприятий строительного и химического производств;

- в Институте металлургии и обогащения АН Казахстана;

- на Калининском предприятии вычислительной техники и информатики в составе алгоритмического и программного обеспечения микропроцессорных программируемых средств для автоматизации технологических процессов на предприятиях строительной индустрии.

Реализация работы в учебном процессе. Разработанная диалоговая система синтеза имитационных моделей внедрена для проведения лабораторного практикума по моделированию систем.

Структура и объем работы. Диссертация содержит: основной текст на 390 стр., включающий введение, 7 глав и заключение, список литературы /197 наименований/, 12 табл., 120 рис. и приложения.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 работ и получено 3 авторских свидетельства на изобретения.

Основой для создания методологии синтеза и анализа бинарных систем управления нестационарными динамическими объектами, автоматизации их исследования послужили научные разработки, выполненные под научным руководством автора в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ АН СССР по•комплексной проблеме "Кибернетика" на 1981-1985 гг. по разделу "Проблемы теории автоматизации проектирования", подраздел 1.12.12.4 "Теория оптимизации проектных решений". Работа проводилась на основании приказа-постановления Минприбора и Академии наук в рамках решения проблемы 2.5.1. "Разработка принципов и методов управления непрерывными технологическими процессами в условиях неопределенности".

Работа проводилась также на основании научно-технических программ: НТП 0.08.09 на 1986-1990 гг. (постановление ГКНТ N 555) в соответствии с разделом 35.01.Д "Разработать комплекс научно-методических материалов программных средств по применению методов автоматизированного проектирования иерархических, децентрализованных и многомашинных АСУ" и по программе "Математическое моделирование в научных и технических системах" на 1989-91 гг.

Научные и практические результаты, полученные в ходе выполнения этих исследований лично автором и под его руководством, обобщены в защищаемой диссертации.

Апробация работы. Полученные автором основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 4 интернациональных коллоквиумах и международном конгрессе, на 24 республиканских конферл-

нцинх, в том числе:

- на 24, 27, 30 и 34 Интернациональных научных коллоквиумах /Германия. Ильмзнау, 1979, I9S2, 1935, 1999/,

- на Международном конгрессе "Информатика-ЭО" /Kyria, ISS0/,

-на I и II Международных научно-технических конференциях "Программное обеспечение ЭВМ"/ Тверь, 1984, 1987/,

- на X Всесоюзном совещании по проблемам управления /АлматАта, 1986/,

- на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Диалоговая мобильная операционная система ДЕМОС" /Тверь, 1986/,

- на 2-й Всесоюзной школе "Теория и технология имитационного моделирования сложных объектов" /Каунас,1987/,

- на Всесоюзном совещании-семинаре "Проблемы оптимизации и управления динамическими системами" /Владивосток, 1937/,

- на Всесоюзной научно-технической конференции "Динамическое моделирование сложных систем", /Гродно 1987/,

- на Всесоюзной научно-технической школе "Автоматизация научно-технических исследований и экспериментов с применением перспективных средств вычислительной техники /Тверь, 1987/,

- на IV Всесоюзной научно-технической конференции "Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ ТП" /Ташкент, 1988/,

- на Всесоюзной научно-технической конференции "Контроль и управление в современном производстве" /Ереван, 1988/,

- на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания и*использования отраслевых информационно-диспетчерских систем на основе компьютеризации и средств связи" /Калуга, 1988/,

- на научно-технической школе "Проблемы оптимизации и управления динамическими процессами" /Суздаль 1988/,

- на научно-технической школе "Локальные и территориальные сети ЭВМ" /Суздаль, 1988/,

- на международном семинаре "Автоматизация моделирования, экспериментальных исследований и опытных испытаний сложных технических систем" /Киев, 1989/,

- на Всесоюзной научно-технической школе "Имитационные эксперименты 'с моделями сложных систем" /Калининград, 1989/,

- на семинаре "Применение персональных ЭВМ в проектировании и технологии" /Санкт-Петербург,1991/,

7 на конференции "Использование вычислительной техники в учр^м-процесс?" /1зерь, !9?1/,

- на 1-ом российском форуме "Технология электронных коммуникаций" /Москва, 1991/,

- на научно-практическом семинаре' "Информатика-90" /Минск, ЩИ ЮНЕСКО/АСПРО, 1991/.

Во введении обоснована актуальность тематики, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, приведены основные результаты, определяющие ее научную новизну и практическую ценность, а также связь с научно-техническими программами.

При автоматизации технологических процессов на предприятиях строительной индустрии перспективным направлением улучшения динамики и повышения устойчивости локальных систем управления нестационарными технологическими объектами является применение бинарных систем автоматического управления, которые позволяют уменьшить объем априорной информации об объекте, перейти от точного знания характеристик объекта к знанию диапазонов их изменения, предложить конечный набор алгоритмов управления, позволяющих эффективно управлять широким классом динамических объектов.

В работе развивается прикладная теория динамических систем с автоматически управляемыми обратными связями, в частности бинарных систем автоматического управления, теория которых создана под руководством академика C.B. Емельянова.

В первом разделе проводится анализ современного состояния изучаемых проблем, рассматриваются принципы построения типовых структурных схем бинарных систем управления, формируются требования к разработке диалоговой системы синтеза имитационных моделей и составу библиотеки типовых элементов структуры (ТЭС) для ее базы данных. Проводится анализ операторов алгоритмов управления в контурах координатной обратной связи и операторов динамических объектов управления, формируется база данных типовых но-

О

делей. Описывается постановка задач диссертационной работы.

В автореферате используются термины и обозначения, принятые в теории бинарных систем автоматического управления.

В . разделе рассматриваются основные принципы йЬстроения и структурные схемы бинарных САУ, ставятся задачи управления нестационарными параметрически неопределенными технологическими .объектами. Отмечается, что создание бинарных САУ нестационарными динамическими объектами с запаздыванием требует дальнейшего развития теоретической базы и разработки нового алгоритмического обеспечения. При синтезе бинарных САУ используется классический подход:

применяя в контуре координатной обратной связи (КОС) известный линейный или нелинейный алгоритм управления, требуемые свойства системы обеспечиваются за счет введения дополнительных координатно-операторных (КООС) и операторных (00С) обратных связей.

Совершенствование технологических процессов на предприятиях строительной индустрии ведет к усложнению объектов автоматизации и появлению новых функциональных задач для реализации в автоматизированных системах управления технологическими процессами, эффективность функционирования которых зависит от степени совершенства локальных систем управления. Поэтому их комплектация современными программируемыми средствами автоматизации с качественным алгоритмическим обеспечением является в настоящее время одной из важнейших проблем.

Современный подход к автоматизации технологических процессов характеризуется дальнейшим усложнением алгоритмического обеспечения программируемых микропроцессорных контроллеров, внедрение которых для управления технологическими объектами сдерживается отсутствием в их математическом обеспечении эффективных алгоритмов для решения задач управления при малом объеме априорной информации об объекте управления и нестационарности его динамических свойств.

Сформулированы в содержательных терминах следующие условия для решения рассматриваемой задачи управления динамическими объектами с запаздыванием и неопределенными в ограниченном диапазоне параметрами:

в контуре КОС используются алгоритмы ■ управления с ограниченным коэффициентом усиления (что позволяет, в частности, ослабить влияние ограничений на сигналы управления в контуре КОС);

- управляющее воздействие 1Ш) вырабатывается с помощью непрерывной или кусочно-непрерывной функции времени (что облегчает работу исполнительных механизмов);

- обеспечивается устойчивое регулирование динамической системой с запаздыванием при неопределенных параметрах;

- в номинальном режиме обеспечивается гарантированное время переходного процесса;

-'обеспечивается малая зависимость динамических свойств управляемых процессов в замкнутых системах управления от параметров объекта, пенящихся в широких диапазонах;

- система сохраняет свои основные свойства при наличии погрешнос-?|'П I алирэчсимочш! регулируемого процесса или при нпилраямюсти [.-

получении информации о контролируемых координатах.

Уточнение некоторых перечисленных свойств, а также их запись с помощью формального аппарата дается в соответствующих разделах.

На основании обзора литературных данных и проверенных экспериментальных исследований выполнен анализ технологических процессов строительного производства как объектов управления, который показал, что промышленные объекты строительной технологии в большинстве случаев представляют собой устойчивые или нейтральные управляемые системы с. запаздыванием, подверженные воздействию различного рода возмущений', как координатных, так и параметрических. В результате анализа выделены типовые математические модели динамики -технологических процессов, определены диапазоны изменения параметров моделей наиболее распространенных объектов в строительном производстве .

Синтез и анализ динамических свойств систем проводятся для динамических объектов с запаздыванием, описываемых в общем случае системой дифференциальных уравнений:

IP :

Z(t)=A(t)Z(t)+b(t)U(t-h(t))+d(t)i(t-h(t)) J(t)=C(t)Z(t) . ,t>t (1)

О

z(to)=z°, и(в)=фц(е), г(9)=Фг(в), е € [ to-r,to], . ^

где Z(t)=(Zi(t).....Zn(t))*eR" - вектор состояния, y(t)€R' - управляемая координата, udOe®1 - скалярное управление, КЮек1 - координатное возмущение, срок«' -функция, определяющая управляющее воздействие u(6), cp^ejetR' - функ"ия, определяющая координатное возмущение 1(9), Z°=(Z°,...',Z°) - начальный вектор состояния процесса; t*t - соответственно "текущий и начальный моменты времени; при каадом фиксированном t A(t)={at 3(t))i Зтл - eiR"x" - вещественная матрица, ' .MtVb^'t).....bn(t))£Rn,

d(t)=(di(t).....dn(t))iK", h - запаздывание. 0

Задачей управления является достижение асимптотической сходимости,к нулю пространства состояния реиений системы (1) и обеспечение малой зависимости динамических свойств системы от параметрических возмущений в объекте управления в условиях воздействия неконтролируемых координатных возмущений f(t). Обеспечение решения задачи управления лежит в основе структурного и параметрического синтеза алгоритмов бинарного управления.

- 1и -

В частных случаях при синтезе алгоритмов в качестве объекта управления рассматриваются динамические процессы с неопределенными параметрами Б и а :

ах

= Ь (г)иа-а (* > 7 + Ь (t)r(t-a (г)),

где уШ - управляемая-координата, и(г) - управляющее воздействие,

1(1;) - координатное возмущение, а. (Ю - запаздывание, и аппроксимация процесса (I) уравнением а заданным диапазоном изменения параметров:

Ру: aJtJi/(t)+y(t)=aíít)[u(t)-aJt))^f(t-aJt))], (3) если процесс обладает самовыравниванием,

р : . а СиуШ=а (t)[u(t-a Ш^/(Ч-а (Ь))1 \ (4)

У 2 1 Э 3

для нейтрального процесса.

Здесь а , а , а^ - параметры процесса, удовлетворяющие.ограничениям вида

а ШеГст, а*]. адиеГсг, а']. 0 , а'!. (5)

Исходя из описания соотношениями (3-5) наиболее распространенных динамических объектов управления в строительной и других отраслях промышленности представлены области изменения их параметров, в частности, для контуров управления температурой, в печах обжига керамических изделий, в пропарочных камерах, в автоклавах, печах обжига керамзита, в котельных агрегатах; влажностью сыпучих цатериалов, концентрацией, уровнем продуктов, давлением, разряжением, напором, расходом, объектами с транспортным запаздыванием: ленточными питателями, дробильными агрегатами строительной и обогатительной промышленности и др.

Необходимым этапом ргзработки алгоритмического обеспечения бинарных САУ (БИСАУ) является имитационное моделирование (ИМ), вклю- . чающее сложные и трудоемкие этапы разработки и отладки моделирующих программ,.поэтому в работе решена задача их автоматизированного моделирования.

В разделе .представлен анализ современных средств автоматизации моделирования, сформулированы основные требования к системам машинного моделирования (СШ) бинарных САУ:

специализация для задач моделирования бинарных САУ динамическими объектами, в частности, строительного производства; - ориентация на конечного пользователя (разработчика АСУ ТП);

- возможность моделирования дискретно-непрерывных нелинейных систем произвольной структуры:

- исключение из процесса моделирования этапа программирования, использование структурного подхода к построению моделей;

- возможность включения в структуру модели других моделей (вложенность структур);

- обеспечение функций ведения библиотеки моделей, библиотеки типовых элементов структуры и архива данных;

- наличие средств параметрической оптимизации, получения справочной информации и документирования.

Сормулирована цель и основные задачи диссертационной работы.

Во втором разделе рассматриваются основные вопросы разработки диалоговой системы синтеза имитационных моделей (СИМОД), разрабатываются методы ее реализации и построения рациональной структуры системы. Применительно к задаче моделирования бинарных САУ технологическими объектами строительного производства формируется базовая библиотека типовых элементов структуры (ТЭС) моделей.

Анализ поставленных' задач позволил выявить ряд основных функций, выполнение которых должна обеспечивать СИМОД:

- интерактивное построение и настройка имитационных и оптимизационных моделей, проведение с ними экспериментов;

- вывод результатов в графическом или цифровом виде, документирование всех этапов работы;

- ведение библиотеки типовых элементов структуры, библиотеки моделей и базы данных, выдача по ним справок.

В качестве основной формы интерактивного обмена реализован диалог под управлением ЭВМ с помощью "меню".

Модель в системе СИМОД описывается в виде структурной схемы, состоящей из типовых элементов, методологической основой синтеза

о

имитационных моделей служит принцип сборочного программирования.

Предложена двухуровневая схема автоматического синтеза программ, позволяющая рационально сочетать возможности компиляции и интерпретации, при подготовке и выполнении моделирующих "программ:

- на верхнем (управляющем) уровне генерируется интерпретируемый командный модуль (КМ), определяющий ход синтеза на нижнем уровне: интерпретатор команд, выполняя команды из КМ, управляет работой компилятора, компоновщика и ■ загрузочного модуля - моделирующей программы;

- на нижнем уровке генерируется управляпглй модуль моделмру"'''.пй

программы в исходных кодах (ИУМ), содержание которого полностью соответствует конкретной структуре модели и включает в сеоя обращения ко всем необходимым подпрограммам из библиотеки объектных модулей; ИУМ последовательно проходит стадии компиляции, компоновки и выполнения; после компиляции ИУМ преобразуется в объектный-модуль.

Синтез программ производится служебной программой на основе информации, полученной от пользователя и из базы данных. Предлагаемая схема синтеза позволяет исключить из процесса синтеза моделирующих программ элементы ручного программирования, повысить надежность и эффективность генерируемых программ за счет рациональной организации ИУМ и использования компиляции.

Предлагаемый способ синтеза обеспечивает разнообразные варианты использования основной схемы синтеза, в том числе:

- возможность разделения во времени операций компиляции и компоновки и их инициации из различных программ;

- возможность последовательного запуска произвольных загрузочных модулей и, в частности, системных программ;

- возможность одновременной генерации нескольких исходных модулей и их последущего слияния на этапе компоновки.

Использование при разработке бинарных САУ принципа декомпозиции определяет необходимость реализации в СИМОД концепции иерархического моделирования. Любая модель, построенная в СИМОД, может быть включена в другую модель в качестве ее группового элемента структуры (ГЭС) за счет унификации интерфейса типовых и групповых элементов,который реализуется в виде подпрограммы у***»(х,У.2),где у»**« - идентификатор подпрограммы, у - символ "Т" или "с", »*** _ четырехзначной цифровой код элемента, х - массив (вектор) входов, У - массив (вектор) выходов, 1 - массив параметров.

В работе предлагается алгоритм имитации для модели, собранной из элементов, ставится и решается задача определения последовательности выполнения элементов модели. При ее решении используется аппарат сетей Петри, для чего предлагается вид формального описания структурной схемы модели и алгоритм определения последовательности выполнения ТЭС.

Описывается структура системы СИМОД, разрабатываются схемы . выполнения основных процедур, обосновываются принятые технические решения, определяются их преимущества. Спектр возможностей пользователя по'построению разнообразных моделей бинарных САУ при авто-

матизации технологических процессов определяется составом и функциональной полнотой библиотеки ТЭС. На основе анализа литературных данных и состава библиотек некоторых СШ в библиотеку ТЭС системы СИМОД включены алгебраические функции, динамические звенья, нелинейности, типовые законы управления, элементы с запаздыванием, логические функции, статистические оценки, модули оценки критериев и качества переходных процессов, источники входных воздействий и другие группы элементов. В том числе в состав библиотеки введены базовые элементы, позволяющие формировать динамические модели разнообразных объектов технологии строительного производства.-

Базовый набор ТЭС не ограничивает пользователя, в частности, имеется возможность по мере разработки включать в библиотеку сложные модели технологических процессов и объектов в режиме "Администратора ".В разделе приводятся результаты контрольного моделирования средствами системы СИМОД бинарных САУ на примере объектов строительного производства.

В третьем разделе представлены результаты синтеза и анализа динамических свойста S^-системы управления нестационарными динамическими объектами с использованием линейных составляющих оператора к контура координатной обратной связи (КОС): :

аш^гг/и.фамьфал,

где фШ=(ф Ш-J - вектор-функция параметров K^,U(t)-. управляющее воздействие, ЦфГГ] - операторная переменная.

Для обеспечения желаемых динамических свойств S^-системы управления при параметрических â(t) и координатных f(t) возмущающих воздействиях синтезирован Л^-алгоритм управления вида (рис.1):

t

о о

где х (t) - сигнал ошибки; <|>° - параметры настройки

алгоритма управления; V-^ft) - операторная переменная, формируемая координатно-операторной обратной связи (КООС).

Разработана структура и алгоритм функционирования КООС, который можно предс?авить в виде следующей совокупности уравнений: а) уравнений формирования операторной переменной M^fU оператором стабилизирующей КООС ^fffyfU, a (t)):

Структурная схема бинарной з^з.-системы (без операторов к^, к^) и бинарной з^ЗрЗ-систеш с /^-алгоритмом управления динамическими объектами строительного производства.

Рис. I.

я 1 £ при

яг при \i itM

Г'=тах{Ш : О„(г)=0), ° г

га)

Г Ш=

'з~(Х) при з'ахо О при

при з+а)>о

)=ги)-азра(1 )ха)), l(t)=su.p{Oq)(t}зign(Ш(t))}, где ог, а*, аг, аз=сог^ - параметры оператора в^;

б) уравнений формирования сигнала рассогласования стабилизирующей КООС СфШ: '

где С^, с^ - параметры оператора ^ задатчика КООС;

в) уравнений формирования операторной переменной ц^Ш КООС

1 при

сутаж)

(8)

о при ст^шхсихз где с], ¿1 - параметры КООС

г) уравнений формирования операторной переменной раШ 00С о^:

к»: ра(Х)^(Х)\ (9)

д) уравнений формирования сигнала приращения управления шеи оператором

!РДц: шт=

ат-^сг; при ц и)=о

г =тах{Ш : а ш=0);

ша) . при ццгг;=г е) уравнений формирования операторной переменной ц СП КООС (г",

1 при О (1)Х

1 и 1

о при о^а)хлт>о

БЦ: али^гт-г.хП), .г•rí;=-C" я/П, где С'\ - параметры КООС (Я^, о^;"

Исследования показали, что синтезированный /^'-алгоритм управления обеспечивает асимптотическую сходимость к нулю пространства состояний решений замкнутой системы управления при изменении ко?ф-

фициента передачи а а) и постоянной времени объекта (3) в

заданных диапазонах (5), но при ограниченном множеством Jл=[a~, 1.г5а°1 изменении времени запаздывания объекта а^г). Здесь а° -номинальное значение "времени запаздывания.

Для расширения области асимптотической сходимости решений замкнутой г^эр-системы управления в структуру А^р-алгоритма введены дополнительные операторные обратные связи (рис. I),

корректирущие границы области желаемых движений системы, ограниченной функциями з+а), (7), в зависимости от изменения времени запаздывания объекта аэШ. Получеышй в результате данной операции Л^зрэ-алгоритм обеспечивает асимптотическую сходимость решений замкнутой системы управления при изменении параметров объекта управления в> , удовлетворяющих ограничениям (5), включая запаздывание объекта а Ш.

э

Предложена методика параметрического синтеза ^р-* ЛцЗрэ-алгоритмов бинарного управления, которая позволяет разрабатывать бинарные системы управления исследуемым классом объектов на основе заданных диапазонов изменения параметров (5) их упрощенных моделей (3),. (4). Синтезированы помехозэщищенные агоритмы бинарного управления, обеспечивающие работоспособность при высокочастотных координатных возмущениях по управляемой координате.

В четвертом разделе работы проводится анализ динамических свойств ¿^-системы с ^ -алгоритмом управления, синтез и исследование на базе СИМОД нелинейных алгоритмов бинарных САУ нестационарным! параметрически неопределенными объектами с запаздыванием.

Разработана классификация нелинейных алгоритмов управления в зависимости от особенностей формирования управляющего воздействия \}(,Х) оператора КОС к (к) (рис.2).

Для замкнутой САУ (Б -системы) объектом ¡Ру'(2), (3) рассмат риваются возможности Х-алгоритма управления с оператором к^Сд^.Цц.Ы/ координатной обратной связи (КОС) вида

(Ю)

где ф°=сог^ - параметр; хл, х- переменные состояния системы;- ошибка регулирования; УаШ - задающее воздействие; У(1) - управляемая координата; цаги - операторная перемен-

Классификация нелинейных алгоритмов

управления

• ' отличительный

Рис. 2.

я*; \ia(t)=

ная; x =dx /dt. - Io - -

Переменная HaftJ формируется координатно-операторной обратной связью (КООС), описываемой выражениями:

'S-' °сМх'

t)=-CaxJt); Сигнал ошибки КООС: aa(t)=x^-x (t),

1 при arl(t)atgnx (t)>o

а 1 (11) О при Oa(t)aieoxjt)<0

где Са - параметр задатчика контура КООС В качестве желаемой динамики принят апериодический процесс по х (t), асимптотически сходящийся к нулю пространства состояния x\(t)=0, xjt)=0. Считается, что Ш, f(t)=f°1(t), ajt )=a°=oonst, для всех вЬ~а+,01 Y(B)=U(e)=f(ö)=0, Ye(t)*0.

Динамика системы анализируется для различных значений параметров а , а . Рассматривается пространство переменных (n,m), отражающих изменение параметров объекта управления относительно номинальных значений а°, а°: п=а /а°; т=а /а°.

2

Исследования показали, что динамические свойства З^-системы определяются при некоторых допущениях величиной характеристической переменной В=т(Са~а°)/(Са-т°). При Ве(0,1) в системе возникает статическая ошибка регулирования. При В=1 система обладает желаемой динамикой. При В€(I,2) в системе наблюдается колебательный переходный -процесс, сходящийся к состоянию х (г)=0, х П)=0, то есть система устойчива, но не обладает желаемой динамикой. При В=2 в системе наблюдаются автоколебания (граница устойчивости системы). При В>2 Б^-система неустойчива.

Проведенные аналитические исследования подтверждены результатами имитационного моделирования при параметрических возмущениях аШ в операторе объекта управления Аналитические и экперимйн-тальные исследования показали, что алгоритм управления обеспечивает в номинальном режиме апериодический переходный процесс, улучшает по.сравнению с линейным ПИ-алгоритмом быстродействие (выигрыш по времени регулирования Д(р до 6056) и интегральный квадратичный критерий качества № до 40%. Параметрические возмущения аси в ряде случаев приводят к появлению в системе статической ошибки или неустойчивых процессов, при этом характер процесса зависит от значения характеристической переменной В.

В разделе рассмотрена задача синтеза « - системы управления с введением КООС при параметрических возмущениях, рассмотрены прин-

шши формирования операторной переменной ^И)- Анализируются варианты возможного введения операторно-координагной обратной связи ОК&С в управляющее воздействие. Показаны возможности данных обратных связей при параметрических возмущениях иметод синтеза.

Введение в .^-систему дополнительной координатно-оперэторной обратной связи, формирующей операторную переменную ЦфСП, позволяет получить Б^г-систему с существенно расширенной областью устойчивости С , исключить область неустойчивости .в пространстве (и.ш) и добиться для всей области О параметрического астатизма системы. Это означает, что операторная переменная ЦфШ на бесконечности сходится к значению, обеспечивающему желаемую динамику системы. Показано, что этим значением является Недостатком

^-системы является возникновение статической ошибки при уменьшении параметров а^а . Схема Э^-системи приведены на рис.3. Операторы «и, кДи, определяются выражениями:

к

ша)=и(1)-и«,); (12)

где х{1<ЦОЛ1: х (1)=0)\ D(t )^alЬ(t)/^U(t);

у

а° лп -г-5-•

1 при хг(Х)х^(гХ0

О при х/Иячи^О ' ,

определены в (10), (II).

Для дальнейшего расширения области О потребовалось определить желаемое движение системы как колебательный процесс с заданной динамической точностью П. При этом был изменен вид заданшка ^ и введена операторная обратная связь (ООО). Полученная Я . -система обладает расширенной областью устойчивости (см.рис.4). Моделирование 5^гр-системы средствами комплекса СИНОД выявило возможность возникновения статической ошибки регулирования при недостаточно крутом фронте координатного возмущения /Ш. Для устранения этого недостатка в систему была введена третья КООС и соответственно изменен оператор к .

Дискретная'запись Функций операторов к , й1'1, »-Р, , имеет вид: " '

U(tJ)--U(tt>^W(t¡);

Структурная схема бинарной Б^г-системы управления для автоматизации динамических, объектов строительной индустрии

1

О,Р.

тс. з

Пространство параметров (п, т) системы управления

т=а/а°; п=аг/а°;

С. - область параметрического астатизма; <? С - области статической ошибки;

1. п=1, т>1;

2. т^(Саг-па°г)/(Саг-а?,); п>0;

3. т=(Сю-па°г)/(Са:!-а°); п>0;

сао<°а2-

т

-21 -

шп^^&я п-^тахпдцд^л. | ди, г ^; | ;; хИ^со.г,^]: ха^ха^^ХО), итУ7Т-1:

ш а)=

xJtз)ф0(nЮ^^í¡f(tл) при

xJtc^)r(1+Ю\^lj;)(t3) при ИаГ^=С>'

ф(Чл; при

г/ГрЖП+ллу*.,; при

I =тах{Т (ГО.г^: )=П, 1=077;

)=», 1-077;

(р=тах(Г (.[ОЛ^:

а <4

V ' * ГТ' 1 1 ^ с'1 1 *>■' "с1' ■> ' "Ф1

Ь х (Ь=

«ж«* ГГ4» при ¿Г'х»0. { ш _ 4 ;

шах {а: а )} при X а )<0 х 1 1 1

1 при л>

О при а^^Г^Ко'

Далее в четвертой разделе разрабатывается методика параметрического синтеза ^р-алгоритмов для объектов с заданными диапазонами изменения параметров, обеспечивающая начальную самонастройку системы в условиях неопределенности текущего состояния объекта.

Проведенные исследования показали, что Л^эр-алгорити обладает расширенной областью устойчивости, которая допускает при {К=0,5) скачкообразное изменение параметра а в 4 раза в меньшую сторону и неограниченное- - в большую сторону; параметр а может увеличиваться в 3,25 раза1; ограничения на уменьшение параметра а определяются выбором настроек алгоритма; при соответствующих настройках обеспечивается независимость системы от параметра запаздывание а ; ^р-алгоритм по завершении самонастройки обеспечивает лучшие (до 40!?) показатели качества переходных процессов . (по интегральному квадратичному критерию Ь), чем оптимально настроенный ПИ-регулятор при наличии погрешностей в. аппроксимации математической модели объекта управления самонастройка система обеспечивает заданную динамическую точность переходных процессов.

В пятом разделе представлены результаты синтеза бинарных алгоритмов управления нестационарными динамическими объектами с запаздыванием на базе нелинейных алгоритмов координатной обратной связи .

- 22 -

С целью улучшения динамических показателей качества переходных процессов введем в Л^ -алгоритм управления дополнительный оператор КОС оР . формирующий форсирующую составляющую управляющего

г

воздействия. Тогда оператор координатной ОС примет вид:

и(х)ф^а(х)х^(г)ах+ ^^а(х)хл(хт, аз)

о

где фг - коэффициент усиления пропорциональной составляющей,

ф^ - коэффициент усиления "полупропорциональной" составляющей, определяющей величину запомненного управляющего воздействия, ца - сигнал-оператор, формируемый КООС по соотношению (II). Закон управления, описываемый соотношенем (13), обозначен как Л^-алгоритм управления. В разделе приведена структураная схема САУ с .^-алгоритмом управления, рассмотрены формирование управляющего воздействия и фазовый портрет. Показано, что использование сигнал-оператора р.ат, формируемого контуром КООС, позволяет сформировать в области пространства состояний (х^,хг) Са дополнительное управляющее воздействие за счет составляющей, пропорциональной сигналу ошибки х^(Х), и "сбрасывать" его за время не менее а° до того момента, когда значение сигнала ошибки хл(Х) возвратится в невозмущенное состояние (.х^(Х)=0).

Разработана дискретная реализация ^-алгоритма управления. Динамику работы ¿^-алгоритма управления можно определить в виде следующей последовательности операций. Выделим в пространстве к2 некоторую связную область, заданную множеством Са: Са=((хл, х2)^: аа(Х)х^(Х)>0} Положим, что в момент времени Со изображающая точка х'(Х) попадает в область Са. До тех пор, пока выполняется условие х'(Х)£Оа(ца(Х)=1), оператор КОС к^/и.ф; формирует приращение управления Ш(Х) пропорционально сигналу ошибки х(Х), т.е. для всех ГеГ* ], где t - момент времени, в который изображающая точка х'(Х) достигает границы области (оа(Х)=0), приращение управления дсгс^Ц) х си+Ф^си. •

При Х=Х~ изображающая точка х' (X) покидает область Са, операторная переменная ца(Ч.)=0 для всех где X ^ - момент следующего попадания х'(Х) в Са. В момент Х\ согласно оператор КОС к (х (Х),§) сбрасывает часть накопленного приращения управления А11 =4> х(Х*) и для всех Х^1Х( формирует управляющее воздействие' и('Х)^и(\'(X ). (Гмомента времени X начинается

т ' о . г 1 г

- 25 -

формирование нового приращения управления Д1ЧП и так далее.

Рассмотрена задача параметрического синтеза ^'-алгоритма при управлении объектами с самовыравниванием и запаздыванием. Доказаны утверждения, определящиие условия параметрического синтеза алгоритма: параметров настройки

С_€Гшах(а (?-ехрГа /а )), а (1-ехр((Ы*-2а )/а^)),01,

и г з г 2 рЭ2

Фг(Саа*)/(Саао

а (1-ех$(а/а ))-Са (а!па -а ЬГа'-СПЧО

12 г г г и ы

С учетом изменения времени запаздывания в ограниченных множеством Ja =[а~з,а*] пределах параметр задатчика Са контура КОСО выбирается

з »,

исходя из условия

С„>а П-ехрГСД1*-2а )/а )1

СХ ■ г р 3 г

Приведены

примеры параметрического синтеза ^[-алгоритма для конкретных параметров объекта Ру.

В разделе представлены результаты параметрического синтеза ^-алгоритма при управлении объектами, не обладающими сгшоьнравни-ванием. Доказаны утверждения, определяющие выбор параметров настроек алгоритма, приведены экспериментальные данные по «ходимости решений Яц-системы.

Рассмотрена задача разделения во времени процессов сброса и запоминания составлящих ^-алгоритма управления за счет введения двух контуров КООС, формирующих операторные переменные , ц ,

представлены динамические свойства 5^-системы при управлении объектом в>у с стационарными и нестационарными праметрамн. Приведена структурная схема системы и результаты имитационных экспериментов.

Решена задача управления объектами с с использованием в контуре КОС двух полупропорциональных составляющих оператором к вида

тг I

с использованием в контурах КООС задатчиков динамических свойств 3 . для формирования операторных переменных ца и ц^:

5 = <уи=-Срз:гги-;г/и; : aaft .

-24 -

где Са, Cß - параметры настройки задатчиков КООС.

Формирование операторных переменных HßCtJ и осуществляется КООС вгР и по соотношению (II).

Введение двух контуров КООС осуществлено с целью формирования более эффективного управляющего воздействия (улучшенный форсаж). Представлена схема сборки имитационной модели и динамические свойства системы. Выявлены режимы формирования операторных переменных |Аа и p.ß, показана необходимость выделения дополнительной области Go вблизи нуля пространства состояния для введения ограничений на формирования операторных переменных. Приведена блок-схема системы и результаты модельных экспериментов.

Существенное место в разделе отведено анализу динамических свойств S^-систем с рассмотренными í^-алгоритмами. Приведено сравнение динамических свойств в номинальном режиме с теоретическим оптимальным регуляторм, ПИ-регулятором и полупропорциональным регулятором Фернера. Представлены динамические характеристики, а также выигрыш по времени регулирования Lt (до 68%) и интегральному квадратичному критерию качества Д1 (до 65.8%) по сравнению с ПИ-алгоритмом регулирования при управлении объектами с самовыравниванием и соответственно Д£=88 и At =87.5,"? - при управлении объектами без самовыравнивания с запаздыванием. Приведены результаты статистических испытаний, оценено влияние неточности установки параметров алгоритмов на математическое ожидание и дисперсию основных показателей качества переходных процессов.

Оценка областей асимптотической сходимости решений S^-системы при параметрических возмущениях 5(t) в операторе объекта управления ir показала возможность образования статических ошибок в системах с А^(1)-алгоритмами (13, 14). Для исключения указанной возможности рассмотрены задачи синтеза /^-алгоритмов с непрерывным и периодическим введением интегральной составляющей. Показано, что введение интегральной составляющей позволяет обеспечить области устойчивой работы при параметрических возмущениях ñ(t) не хуже, чем в системе с ПИ-алгоритмом, а выигрыш в значении интегрального квадратичного критерия качества в 2 раза при управлении объектами с самовыравниванием и 2 + 6 раз при управлении объектами без самовыравнивания в зависимости от отношения времени запаздывания к инерционной постоянной времени aya в диапазоне 0,1*1.

Пзриг-ттескэе введение интегральной составляющей

у

о °

где ф , ф . Ф - параметры насторйки; ра, - операторные переменные .

осуществляется ' КООС, формирующей сигнал1 ошибки о (г)=\х_ í't^|-Cг|.Tlít)|, Ср - параметр настройки.

Оператор контура КООсГ ге^ формирует операторную переменную на основании условия:

I при о^аь5<0 О при о Ш-в>0*

где б - наперед заданная величина смещения.

В разделе рассматривается задача стабилизации динамики 5^-системы управления нестационарным динамическим процессом с запаздыванием путем синтеза стабилизирующей координатно-операторной обратной связи КООС (Б^, формирующей при параметрических во-

змущениях соответствующее изменение операторной переменней Р-фШ.

Для разработанных субоптимальных бинарных алгоритмов предложена структура стабилизирующей КООС, формальную запись которой можно представить в виде следующей совокупности' уравнений формирования:

а) рассогласования стабилизирующей КООС Я^О:

5„: а^и^т-Лт, а&П)=-<$х (х).

где С^, С^ - параметры оператора задатчика КООС.

б) операторной переменной ц^Си оператором ^(ОфШ.аШ) стабилизирующей КООС:

я!ГО=7+/ц7(Ч;ггГт№, (16)

кг)=8ир(о^(гяхвпшег)) при ц ш=7.

—,—ф, . >„ ,, г , „ ,. в) операторной переменной ц^Ш КООС й^;:

где су, С* - параметры настройки задатчика г) определения приращения управления оператором к

I при Oj.it >-^<0 О при о.^(г)-£^>0

- 26 -с/и-у/г; при |.1аш=7

дс/а-; при цат=о

где v.(X(t), оаа) - определены в (II); д) операторной переменной РаШ оператором к^:

Рат=

та) при щ,Ш=0

' , Г'=н»ах{Т>1 , о„(Х)=0) та") при ц (Ч;=1 ° 7

В (16) а^(Х)=раа)а°, где а° параметр настройки.

Синтезированный алгоритм принадлежит к классу Л^эр-алгоритмов бинарного управления с тремя координатно-операторными и одной операторной обратной связью. Разработана методика параметрического синтеза алгоритма, приведены аналитические соотношения для расчета параметров стабилизирующей КООС. Алгоритм с оператором к (13) и стабилизирующей КООС (16) существенно расширяет область асимптотической сходимости к нулю пространства состояния ^-системы управления. При параметрических возмущениях по а^а) а С?; в пределах (5), операторная переменная ЦфШ обеспечивает точную подстройку параметров . алгоритма (13) ф , 1=1,2. При изменении постоянной времени а^а) операторная переменная м^Ш сходится к желаемому значению с некоторым диссипатизмом что приводит к статическим ошибкам.

Введение интегральной составляющей в соответствии с (15) и стабилизирующей КООС (16) позволяет обеспечить асимптотическую устойчивость на базе субоптимального нелинейного алгоритма на всем заданном диапазоне изменения параметров объектов (3+5). Структурная схема рассматриваемой ^-системы представлена на рис. 5. Разработана методика параметрического синтеза и дискретная реализация /^-алгоритма.

В шестом разделе представлены результаты исследования и разработки приближенных методов расчета параметров настройки бинарных ^-алгоритмов управления в подобных системах управления динамическими объектами строительного производства.

Широкое внедрение разработанных бинарных алгоритмов в реальных САУ технологическими процессами на базе микро-ЭВМ возможно при' наличии достаточно простых инженерных методик расчета их параметров настройки, обеспечивающих высокую точность определения оптимальных уставок алгоритмов управления.

Использование разработанных диалоговых средств моделирования и методик параметрического синтеза бинарных алгоритмов позволяет с

Структурная схема бинарной системы управления с стабилизирующей координатно-операторной обратной , связью и субоптпмальным нелинейным алгоритмов КОС'.

Ию. 5.

высокой точностью рассчитать оптимальные параметры алгоритма по заданному критерию качества, однако все вычисления необходимо полностью повторять для каждого конкретного объекта управления.

Задание структуры системы управления, операторов р и л , начальных и граничных условий, возмущающих и управляющих воздействий полностью определяет процессы, протекающие в системе под действием координатных возмущений. Две системы управления будем считать подобными, если существуют следующие соответствия сходственных величин рассматриваемых параметров систем и процессов:

а) передаточные функции объектов и алгоритмов управления, а также структура САУ являются однотипными и различаются лишь значениями постоянных коэффициентов;

б) соблюдается частный случай соответствия в подобных системах-пропорциональность, т.е. наблюдается временное подобие, при котором имеет место соотношение где {"-время в подобной системе, {-время в исходной системе, я^-постоянный множитель на всем протяжении переходного процесса;

в) имеет место подобие начальных условий и граничных значений.

На основании теории подобия представлены условия соответствия сходственных величин рассматриваемых 5^-системой, получены аналитические соотношения и номограммы для пересчета параметров настройки алгоритмов с линейными и нелинейными составляющими контура координатной обратной связи при управлении динамическими объектами с запаздыванием. Достоверность методики настройки подтверждена с использованием ^-критериев подобия (способ интегральных аналогов) и имитационных экспериментов. Разработана методика расчета' настроек алгоритмов управления в САУ с объектами более высокого порядка. Получены номограммы для определения параметров настроек.

Решена задача многокритериальной оптимизации параметров настройки бинарных ^-алгоритмов управления по векторному критерию качества, получены компромиссные решения по оптимальным параметрам настройки на базе совокупности интегральных критериев.

Разработана инженерная методика и получены номограммы для расчета оптимальных параметров настройки бинарных систем управления с синтезированными в разделах 3+5 алгоритмами управления А^, Л^эр). Аналитические исследования подтверждены имитационными экспериментами.

В седьмом разделе представлены результаты разработки и внедрений алгоритмического и программного обеспечения бинарных систем

• -29 -

управления для микропроцессорных средств автоматизации динамических обг^ктов на предприятиях строительной индустрии. На основании анализа структуры распределенной АСУ ТП нижнего уровня осуществлено формирование библиотек алгоритмов и программных модулей управления для локальных технологических, операторских и координирующих станций .

Библиотека функциональных Модулей (БФМ) алгоритмов бинарного управления разработана на основе синтезированного в разделах 3*5 параметрического семейства алгоритмов и отлаживалась с помощью разработанных в разделе 2 средств моделирования. Реализация формирования управляющего воздействия бинарных алгоритмов управления представлена как в полных переменных, так и в приращениях сигнала рассогласования, что обусловлено возможностью использования различных типов исполнительных механизмов.

Разработанный функциональный модуль БАЛ-1 реализует бинарный алгоритм управления, использующий в. контуре КОС стандартный ПИ-алгоритм и. предназначен для работы с позиционными исполнительными механизмами в системах управления нестационарными объектами с запаздыванием как астатическими, так и обладающими самоныравниванием. Приведена функциональная схема алгоритма с учетом обеспечения безударного перехода с режима автоматического на режим ручного управления.

Алгоритм БАЛ-2 реализует.бинарный алгоритм, использующий для формирования управляющего воздействия импульсный ПИ-регулятор. Алгоритм рассчитан на работу с исполнительным механизмом постоянной скорости. ;

Алгоритм БАЛ-3 реализует бинарный алгоритм, использующий для формирования управляющего воздействия ^-алгоритм управления. БАЛ-3 рассчитан на работу с позиционным исполнительным механизмом.

Анализ качества разработанных алгоритмов бинарного управления проведен на примерах БИСАУ в рамках АСУ ТП динамичесшмп объектами строительного производства.

Заключение

I. Для автоматизации синтеза бинарных систем управления динамическими объектами строительной промышленности разработана диалоговая система синтеза имитационных моделей, предложен способ автоматического синтеза моделирующих и оптимизирующих программ, разработан унифицированный интерфейс типовых элементов структуры, решена

задача имитации многоуровневых моделей сетевой структуры, реализовано алгоритмическое и программное обеспечение иерархического сборочного моделирования.Создана библиотека типовых моделей, построения бинарных САУ объектами строительной технологии.

2. На основании анализа динамических свойств объектов управления в строительной индустрии произведен выбор базовых динамических моделей объектов для синтеза бинарных алгоритмов управления.

На базе линейных операторов контура координатной обратной связи (КОС) разработано параметрическое семейство бинарных алгоритмов управления нестационарными динамическими объектами с запаздыванием, синтезированы структуры стабилизирующих координатно-операторных и операторных обратных связей, реализущих подстройку параметров алгоритма КОС.

3. Проведены исследования и синтез бинарных алгоритмов для управления нестационарными параметрически неопределенными динамическими объектами с запаздыванием. Разработанные алгоритмы класса Л^зр обеспечивают ассимптотическую сходимость решений замкнутой .^-системы управления к нулю пространства состояний при произвольном изменении коэффициента передачи и постоянной времени объекта управления в заданных пределах, но при ограниченном возможном изменении времени запаздывания. Алгоритмы класса Л^р' решают поставленную задачу на всем диапазоне изменения параметров объектов.

4. Разработана методика автоматизированного - параметрического синтеза бинарных алгоритмов управления с использованием линейных составляющих в контуре КОС, решены вопросы обеспечения помехозащищенности, аналоговой и дискретной реализации.

5. Проведен синтез бинарных алгоритмов и анализ динамических свойств г^-системы управления базовыми моделями объектов строительной индустрии при использовании в контуре КОС нелинейных операторов с запоминанием составляющих управляющего воздействия. Синтезированные алгоритмы обеспечивают асимптотически точное регулирование и малую зависимость динамических свойств системы от параметрических возмущений, а для объектов без самовыравнивания - параметрический астатизм системы.

Разработана методика параметрического синтеза данного класса алгоритмов обеспечивающая начальную' самонастройку системы, достижения и поддержания заданной динамической точности в условиях неопределенности текущего состояния объекта управления.

6. Синтезировано параметрическое семейство бинарных алгоритмов

- :Н -

управления нестационарными объектами с запаздыг-анием на базе cyöon-тимального нелинейного алгоритма в контуре КОС. Решена задача обеспечения асимптотической сходимости решений S^-системы к нулю пространства состояний при параметрических возмущениях в объекте управления в заданных ограничениями пределах.

Алгоритмы обеспечизапт в стационарных режимах существенное снижение динамических свойств системы по сравнению с линейными аналогами: снижение значения интегрального квадратичного критерия качества на 50% и сокращение времени регулирования в 3 раза при управлении объектами с самоЕиравниванием, улучшение значения интегрального квадратичного критерия качества в 2 - 6 раз при управления объектами без самовыравнивания в зависимости от отношения времени запаздывания к инерционной постоянной времени объекта управления в диапазоне 0,1+1. Указанные свойства сохраняются после завершения самонастройки при параметрических возмущениях.

Разработана методика параметрического синтеза субситимальных бинарных алгоритмов управления.

7. Созданы приближенные инженерные методики расчета параметров настройки бинарных алгоритмов управления. Получены аналитические соотношения и номограммы пересчета параметров'' настройки в подобных системах. Решена задача многокритериальной оптимизации параметров настройки алгоритмов по совокупности интегральных критериев,

8. На основе синтезированного алгоритмического ооеснрчения бинарных систем управления создана Сиблиотекэ алгоритмов yi раьдания и программных модулей для микропроцессорных программируйр;х средств автоматизации г'фоизводственных процессов на предприятиях строительной индустрии.

9. Внедрение результатов работы по созданию алгоритмического и программного обеспечения бинарных систем управлении нестационарными технологическими процессами в строительной и других отраслях промышленности и .разработанных диалоговых средств ¡'ыитшлпнгого педалирования подтверждено 12 актами внедрения с фактн-'.рсчрп г^ЭДрыпп в ценах 90 г. в размере 970 тыс. рублей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО .

В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

I. Караваева U.M., Вегера O.A., Григорьев В.А. Исп^Д'-рмнир й оптимизация динамичпокпх свойств систем автоматнч<"'кгго p'4'v лит ания с ртгулят'рзг» о пере'рнно" структурой // »¿г.т ¡суи^ mV h ; i:r ü ..•imtüK^n -чтгатга", Йз-во С^сшовечого ум*-

вэрситета, Саратов, 197'?, с. 51-54.

2. Вегера Ю.А., Григориев В.А. О некоторых алгоритмах функционирования регуляторов в системах с переменной структурой, //"Системы управления, передачи, преобразования и отображения информации", Рязань, 1980, С. 21-25.

3. Григорьев В.А. Пслиоптимизация параметре настройки линейных и нелинейных алгоритмов управления, //"Автоматические системы оптимального управления технологическими процессами", Тула, ТПИ, 1982, с. 24-28.

4. Григорьев В.А. Синтез бинарных законов управления динамическими объектами с последействием. //Математические методы оптимизации и управления в сложных системах, Калинин, КГУ, 1987, с. 159-162.

5. Григорьев В.А. Автоматизация проектирования алгоритмов управления бинарных систем управления. //Математические методы в теории САПР, роботов и систем, Калинин, КГУ, 1988, с. 153-159.

G. Григорьев В.А. Адаптивное управление с использованием алгоритмов дифференцирования на основе бинарной структуры. //Эргономическое и организационное обеспечение качества создаваемых и эксплуатируемых систем, Минск, ИК АН БССР, 1989, с. 73-83.

7. Григорьев В.А. Введение стабилизирующей координатно-операторной обратной связи в бинарный алгоритм управления при параметрических возмущениях, //Проблемы реализации АСНИ на базе перспективных средств ВТ, Калинин, КГУ, 1989, с. 56-GI. . -

8. Григорьев В.А., Вальков Л.С. Применение алгоритмов с нелинейной координатно-операторной обратной связью для управления нестационарными динамическими объектами химической промышленности, //Модели и технические средства автоматизированных и робототехничэских систем химической промышленности, Калинин, 1989, с. 36-39.

9. Григорьев В.А., Корнеев H.H., Факторович М.Ю. Бинарный алгоритм управления с двумя координатно-операторными обратными связями для нестационарного объекта с запаздыванием, КПП, Калинин, 1989, Деп. в ВИНИТИ N 6206-В89, с. 24.

10. Григорьев В.А., Вегера Ю.А. О некоторых особенностях управления объектом первого порядка регулятором с переменной структурой, // "Автоматизация производственных процессов", Калинин, КГМ, 1973.

11. Григорьев В.А., Вегера Ю.А. Метод расчета параметров настройки регуляторов в системах с подобными характеристиками, //"Автоматизация производственных процессов", вып.28, Калинин, КПИ, 1974, с. 9812. Григорьев В.А., Вегера Ю.А. Исследование и оптимизация динамики САР с пропорционально-интегральным регулятором переменной структуры //"Автоматизация производственных процессов1', Калинин, КПИ, 1974.

13. Григорьев В.А., Вегера Ю.А. Перспективы использования алгоритмов СПС при создании математического обеспечения АСУТП // "Проблемы математического и информационного обеспечения АСУТП", Черновцы, 1979, с. 62-63.

6. Вегера Ю.Л., Григорьев В.А. О новых алгоритмах управления в АСУТП, реализуемых на микропроцессорных устройствах, // "Применение микропроцессорных вычислителышх систем для управления технологическими процессами", Смоленск, IS79.

15. Григорьев В.А. Исследование и оптимизация динамики адаптивной системы управления на оазе микро-ЭВМ технологическим объектом с переменными параметрами, Труды 27 Интерн, коллокь. ТВШ. Ильменау, Poster А1 , 1982, С. 12-14.

16. Григорьев В.А. Исследование алгоритма адаптивной идентификации статического многомерного объекта, в сб. "Модели и системы управления химико-технологическими процессами", Калинин, КРУ, И84, е.. 812.

17. Бабаев Б.П., Григорьев В.А., Факторович Ю.М. Моделирование на ЭВМ без посредника // определение характера и уровня компьютеризации и организации. Методологические проблемы: Тез. докл. всесоюз. H.-T. сем., Калинин, 1985г. Т.2, с. 28-29.

18. Григорьев В.А., Жигаленко В.Г., Максимов Е\М., ЧадесЬ в.м. Автоматизированное проектирование адаптивных систем управления с идентификатором (ACH). Тезисы докладов X Всесоюзного совещания по проблемам управления, Москва, 1986, кн.1, с. 237-238.

19. Григорьев В.А. Система автоматического управления сложным г:ех~ нологическим процессом. // "Автоматизация и роботизация в химической промышленности". Тамбов, ТИШ, 1986, с. Г03-Ш5.

20. Бабаев Б.П., Григорьев В.А., ФактороЕИЧ М.Ю. Унифшированная среда машинного моделирования. // Диалоговая мобильная операционная система ДЕМОС: Тез. докл. всесоюзн. п.-т. сем. Калинин, Г9в<5, с. 118-120.

21. Григорьев В.А, Применение алгоритмов с першшшкм структурой для управления химико-технологическими обижтапи. //Моцсмшровгние и управление химико-технологическими процессами, lui линии, Kl У, [98(i. С. I09-113. ,

22. Бабаев Б.П.. Вальков Л.С., Григорьев В.А. Молсииые системы, Труды 2 международной научно-технической конференции "Программное обеспечение ЭВМ, новая информационная технология", Калинин, НПО "Центрпрограммсистем", 1987, с. 145-146.

23. Бабаев Б.П., Григорьев В.А., Кйгалинко В.Г., Флктооовпч М.Ю. Системы исследования, моделирования и оптимизации адегпиышх систем с идентификатором СПМО ACH. //Динамические модс-лирл^ц'ие сложных систем, Гродно, 1987, с. 26-29.

24. Орлов Ю.П., Григорьев В. А. Реализация itero вон ргчдмыллвоивания в ППП общего назначения. Прибири и системы упрас-лешш, il 6, 1987,

О^ ГЬп.игшлп Г1 П ......... ~ . т- т*______________...

О

технологическими объектами. //Автомата Москва, ШШТЭХЛМ, N .1, 198м, с. 13-19.

ГГ. i ¡ 'Ii [ i 'i ! or !

-3 't -

обеспечение бинарных систем автоматического управления нестационарными объектами с запаздыванием. //Контроль и управление в современном производстве, Москва, 1988, с. 148.

27. Берзин Е.А., Григорьев В.А., Ягунов В.Н. Некоторые вопросы методологии решения многокритериальной задачи линейного программирования. //Проблемы создания и использования отраслевых информационно-диспетчерских систем на основе компьютеризации и перспективных средств связи, Москва, Радио и связь, 1988, с. 94.

28. Чернышев О.Л., Григорьев В.А. Опыт использования имитационного моделирования при разработке АСНИ ХТП. //Имитационные эксперименты с моделями сложных систем, КТИ, Калининград, 1989, с. 64.

29. Вегера Ю.А., Григорьев В.А., Михальченко H.H., Ялышев А.У. Устройство для автоматического управления объектами с транспортным запаздыванием, авторское свидетельство N 59I8II.

30. Вегера Ю.А., Григорьев В.А., Михальченко H.H., Ялышев А.У. Устройство для автоматического управления технологическими параметрами, авторское свидетельство н 642675.

31. Григорьев В.А., Лебедев В.А. Устройство для автоматического регулирования процессов камерной сушки, авторское свидетельство л 1038770.

32. Григорьев В.А., Корнеев H.H., Поливанова Н.В. Диалоговая система моделирования и исследования параметрических -систем управления на базе ППЭВМ, //Информатика-90-x, Минск, БЦИ ЮНЕСКО/АСПРО, 1991, с. 24-25.

33. Григорьев В.А., Решетов А.Ю. Диалоговая система синтеза имитационных моделей систем управления, //Применение персональных ЭВМ в проектировании и технологии, Санкт-Петербург, 1991, с. 18-25.

34. Григорьев В.А. Методика расчета параметров настройки линейных алгоритмов в подобных системах автоматического управления. //Моделирование и управление химико-технологическими процессами, Калининский госуниверситет, Калинин, 1986, с. 97-100.

35. Вальков Л.С..Григорьев В.А., Прутенский В.Н. Бинарная система управления вынужденным движением химико-технологическими объектами с запаздыванием. //Информационные и системные аспекты моделирования и автоматизации химико-технологических процессов, Калинин, КГУ, 1987, с. 94-98.

36. Григорьев В.А., Факторович М.Ю. Автоматизированное проектирование алгоритмов управления технологическими процессами. // Автоматизированное проектирование химических производств, М,:.ШХМ, 1987,

37. Григорьев В.А., Корнеев И.Н., Факторович М.Ю. Синтез бинарной САУ свободным движением нестационарного динамического процесса и анализ ее динамики на базе диалоговой системы имитационного моделирования "СИМ0Д-1". //Информационные и системные аспекты моделирования и автоматизации химико-технологических процессов, Калинин, КГУ, 1987, с. 102-107.

39. Григорьев В.А, Алгоритм бинарного управления нестационарны™