автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка и исследование алгоритмического и программного обеспечения для идентификации динамических объектов в АСУ ТП

ВВЕЩЕНИЕ.

Глава I. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ДИНАМИКИ КАК КОМПЛЕКСНАЯ ПРОБЛЕМА

ТЕХНИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ

1.1. Место задачи идентификации при управлении динамическими системами

1.2. Проблемы идентификации динамических характеристик сложных объектов управления

1.2.1. Выбор схемы идентификации

1.2.2. Выбор структуры модели объекта управления

1.2.3. Выбор оптимального пробного сигнала

1.2.4. Проблема регуляризации

1.2.5. Оптимизация схем и алгоритмов идентификации

1.2.6. Проблема характеризации

1.3. Обзор методов идентификации

1.3.1. Определение амплитудно-фазовой характеристики

1.3.2. Определение временных характеристик

1.3.3. Определение коэффициентов передаточной функции

1.3.4. Методы идентификации, основанные на аппроксимации импульсной переходной функции

1.4. Выводы

Глава 2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ КАНАЛОВ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ

ОБЪЕКТОВ.

2.1. Постановка задачи идентификации каналов управления

2.2. Выбор пробного сигнала и критерия адекватности . 56 2.2.1. Свойства пробного сигнала типа ПСДС и его реализация.

2.2.2. Выбор критерия адекватности объекта и модели

2.3. Выбор метода вычисления стандартных реакций при идентификации динамики

2.3.1. Метод аналитических функций

2.3.2. Метод Z - преобразования.

2.3.3. Метод интеграла свертки

2.3.4. Сравнительный анализ алгоритмов

2.4. Активный метод идентификации с использованием фильтров Лагерра

2.5. Выводы.

Глава 3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ КАНАЛОВ ВОЗМУЩЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ

ОБЪЕКТОВ

3.1. Постановка задачи идентификации каналов возмущения

3.2. Особенности идентификации ДХ канала возмущения

3.3. Пассивный метод идентификации с использованием фильтров Лагерра

3.4. Повышение точности идентификации каналов возмущения

3.4.1. Стандартизация входных переменных

3.4.2. Загрубление аппроксимации ДХ канала с мало-изменяющимся входом.

3.5. Применение метода адаптивной модели

3.5.1. Настройка параметров модели Cj,., CN

3.5.2. Настройка масштаба времени ос фильтров Лагерра

3.6. Выводы.

Глава 4. ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ДИНАМИКИ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ.

4.1. Постановка задачи

4.2. Математическое описание перехода от одной формы модели к другой

4.2.1. Переход к системе дифференциальных уравнений

4.2.2. Переход к типовой передаточной функции

4.2.3. Переход к разностному уравнению "вход-выход"

4.3. Учет времени чистого запаздывания в алгоритмах характеризации

4.3.1. Время запаздывания известно

4.3.2. Время запаздывания неизвестно

4.4. Выбор оптимального порядка при представлении объекта инерционным звеном m -го порядка

4.5. Экспериментальные исследования

4.5.1. Рекомендации по выбору числа К частот

4.5.2. Влияние точности выбора параметра ос на точность аппроксимации

4.6. Выводы.

Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ К ЗАДАЧАМ

СИНТЕЗА КОМПЛЕКСНЫХ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ В

АСУ ТП.

5.1. Методика использования качественной модели идентификации для макросинтеза.

5.2. Пакет прикладных программ "Идентификация динамики" в АСУ ТП.

5.3. Разработка комплексного алгоритма щентификации и управления для АСУ ТП производства искусственного волокна.

5.4. Выводы.

Актуальность темы. Создание высокоэффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) является одним из главных направлений повышения эффективности социалистического производства. Переход к массовому внедрению АСУ ТП с использованием управляющих вычислительных машин и микропроцессоров выдвигает на первый план вопросы типизации методического и математического обеспечения как основной фактор ускорения и удешевления разработки и создания АСУ ТП.

Идентификация динамических характеристик (ДХ) объектов автоматизированного управления является неотъемлемой частью таких разработок. Важность и сложность задач идентификации быстро возрастает по мере перехода к автоматизации все более сложных технологических объектов и производственных комплексов. Без решения задачи идентификации невозможно ни целенаправленное проектирование систем управления, ни построение адаптивных систем, работающих в условиях неполной априорной информации и нестационарности характеристик объектов.

Несмотря на большое количество работ по идентификации, проведенных в СССР и за рубежом (Дмитриев А.Н., Костюк В.И., Круг Г.К., Райбман Н.С., Солодовников В.В., Цыпкин Я.З., Чинаев П.И., Гроп Д., Калман Р., Эйкхофф П., йзерманн Р., Браун Л., Блэндхол Е. и др.), наблюдается острый дефицит в методическом и программном обеспечении при решении задач идентификации в АСУ ТП, что связано с отсутствием методических разработок по выбору схем, принципов и методов идентификации, а также отсутствием алгоритмов и программ идентификации, приспособленных к работе в реальном времени и к реализации на мини- и микро-ЭВМ, где остро встают проблемы оперативной памяти и ограниченной разрядной сетки.

Данная работа выполнена на кафедре Автоматики МЭИ в рамках работ по комплексной проблеме ГКНТ СМ СССР 0.80.05.19.01. 07 "Разработать сборники (каталоги) алгоритмических модулей АСУ ТП химии и методики синтеза математического обеспечения конкретных АСУ ТП".

Цель работы заключается в разработке экономичных по объему вычислений и требуемой памяти алгоритмов и программ идентификации динамики каналов управления и возмущения объектов управления в реальном масштабе времени, а также алгоритмов перехода от одной формы описания ДХ к другим (характеризации) для управляемых динамических систем, ориентированных на реализацию с помощью мини- и микро-ЭВМ в АСУ ТП. В этой связи основными задачами данной работы являются:

- разработка активного статистического метода идентификации в реальном времени с использованием ортогональных разложений искомых характеристик;

- разработка пассивного статистического метода идентификации каналов возмущения в реальном времени;

- исследование методов повышения точности аппроксимации и регуляризации при идентификации каналов управления и каналов возмущения;

- разработка алгоритмов характеризации и исследование точностных характеристик переходов от модели динамики в виде разложения по функциям Лагерра к другим, более удобным в инженерной практике;

- апробация разработанных алгоритмов и программ, при этом на базе результатов цифрового моделирования и экспериментальных исследований ставилась также задача получения рекомендаций по использованию разработанных алгоритмов и программ идентификации и характеризации в комплексных алгоритмах для АСУ ТП.

Научная новизна. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработан экономичный по объему вычислений и требуемой памяти алгоритм активного метода идентификации динамики каналов управления с использованием ортогональных фильтров Лагерра и псевдослучайных двоичных сигналов небольшой интенсивности, аддитивно подаваемых на вход объекта идентификации таким образом, чтобы не нарушался нормальный режим объекта, отличающийся от известных алгоритмов автоматическим выбором времени статистической обработки и мерами повышения эффективности получаемых оценок параметров.

2. Разработан алгоритм пассивного метода идентификации динамики каналов возмущения с использованием ортогональных фильтров Лагерра, в котором предусмотрены дополнительные меры регуляризации некорректной в общем случае указанной задачи и повышения эффективности оценок параметров.

3. Экспериментально найден наиболее экономичный из известных методов вычисления стандартных реакций фильтров

Лагерра, использующий приближенный вариант их 2 - преобразования, необходимый для реализации алгоритмов идентификации.

4. Разработан комплексный алгоритм характеризации - перехода от описания динамики в виде ортогонального разложения по функциям Лагерра к другим формам описания, в частности к системе обыкновенных дифференциальных уравнений в форме Коши, к типовым передаточным функциям, соответствующим инерционным звеньям т -го (т ^ 3) порядка без запаздывания или с запаздыванием или к разностному уравнению "вход - выход" £ -го (€ $ 6) порядка без запаздывания или с запаздыванием.

Практическая ценность. Разработанные алгоритмы идентификации и характеризации вошли в состав "Библиотеки типовых алгоритмических и программных модулей контроля и управления непрерывными технологическими процессами (БТАМ КУ-1 МЭИ)", в состав отраслевого фонда алгоритмов и программ по химии, могут широко использоваться для идентификации динамики объектов в производстве непрерывного типа, а также при синтезе комплексных алгоритмов управления АСУ ТП с элементами адаптации и оптимизации. Получены рекомендации по их использованию.

Два алгоритмических модуля зарегистрированы в Специализированном отраслевом#онде алгоритмов и программ (СОФАП) СССР.

На базе предложенных алгоритмов разработан комплексный алгоритм управления для АСУ ТП производства искусственного волокна, принятый к внедрению в ГДР.

Апробация работы. Работа обсуждалась на кафедре Автоматики МЭИ, а также на кафедре Техники регулирования и управления процессами секции Информационной техники Дрезденского Технического университета (ГДР).

По теме диссертации опубликовано 2 работы, материалы диссертации вошли в два зарегистрированных отчета по НИР, выпущенных в Проблемной лаборатории автоматики МЭИ.