автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование устройства для настройки регуляторов систем автоматического управления

На правах рукописи 'П

Мщт

ОНУФРИЕВ ВАДИМ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ НАСТРОИКИ РЕГУЛЯТОРОВ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени £ 8 ОКТ 2015

кандидата технических наук

Научный руководитель д. т. н., профессор Гончаров Валерий Иванович

Томск-2015

005563822

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Гончаров Валерий Иванович

Официальные оппоненты: Карташов Владимир Яковлевич, доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет», профессор кафедры прикладной математики

Полищук Владимир Иосифович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», доцент кафедры «Электрические станции»

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский государственный технический университет»

Защита состоится «19» ноября 2015 г. в 15 часов 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.268.03 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) по адресу: 654050 г. Томск, пр. Ленина, 40, каб. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТУСУР по адресу: г. Томск, ул. Красноармейская, 146 и на сайте:

Ьйр://утш.1и5иг.ги/ги/5с!епсе/е^са1!оа/с1188ег1а1юп5/2015-010.Ь1ш1

Автореферат разослан «/$» 'СО 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д-Д- Зыков

Д 212.268.03 ^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Согласно Перечню критических технологий

федерального уровня Пр-899 от 07 июля 2011 года по направлению

"Технологии информационных, управляющих, навигационных систем" важной

задачей является разработка высококачественных систем автоматического

регулирования для их внедрения в различные отрасли промышленности с

целью автоматизации технологических процессов.

Качество работы систем автоматического управления (САУ) во многом

определяется свойствами регулятора, заложенными при проектировании,

периодичностью и точностью его настроек в процессе эксплуатации. Для

достижения качественной настройки регуляторов необходимо иметь сведения о

текущих свойствах объекта управления, эталонную модель настраиваемой

системы и соответствующий алгоритм настройки. Каждая из этих

составляющих важна, так как в совокупности они определяют свойства САУ.

Во многих случаях свойства эксплуатируемых систем управления и их

количественные оценки - показатели точности и качества - оказываются

неудовлетворительными. Об этом свидетельствует практика эксплуатации САУ

и публикации по возникающим задачам и проблемам. Наиболее заметны

сведения по результатам масштабных исследований, проведенных в последние

десятилетия. Первое из них было направлено на анализ работы 10 тыс. САУ

(Ender D. Control loop analysis and optimization // Contr. and Instrum., 1990, Vol.

22, №11, pp.77-78). Второе обследование было еще более объемным. Были

исследованы настройки регуляторов множества САУ, имеющих в общей

сложности около 100 тыс. контуров (Merritt R. Some Process Plants are Out of

Control // Control for the Process Industries, 2003, 16(2), 30). Результаты этих и

других обследований выявили системную проблему - регламентным

требованиям отвечают менее половины регуляторов.

Основная из наиболее значимых причин такого состояния

промышленных САУ - сложность задач идентификации и настройки,

3

вызванная наличием в системах перекрестных связей, нелинейностей, возмущений и т.д. Уменьшение их влияния связывают с созданием технических средств, которые облегчают обслуживаемому персоналу осуществлять контроль за работой САУ, получать объективную информацию о текущих свойствах объекта управления и использовать ее в процедурах настройки регуляторов. К таким инфраструктурным средствам САУ относятся, в частности, мобильные идентификаторы и более совершенные устройства -приборы для настройки регуляторов. Наличие таких инструментов позволяет, во-первых, использовать в процедуре настройки объективную информацию о параметрах объекта управления, и, во-вторых, значительно сократить трудоемкость обслуживания САУ.

Последнюю возможность выделяют особо в силу ее практической значимости. Она заключается в том, что удельная нагрузка на каждого специалиста-настройщика оказывается высокой практически на всех отечественных и зарубежных предприятиях. Поэтому широко практикуется введение так называемых «слабых настроек», при которых система приближается к разомкнутой, что не позволяет уделять достаточного времени каждой процедуре настройки. Этим гарантируется ее стабильная работа, но платой является снижение качества работы и системы, и технологического оборудования.

Создание средств инструментального контроля объектов и настройки регуляторов открывает возможность объективного оценивания текущих свойств объектов управления, что позволяет повысить производительность работы обслуживающего персонала, а в дальнейшем воспользоваться преимуществами автоматизированного способа настройки регуляторов. Главное, что видится при реализации этого пути - появляется возможность в каждом случае учитывать текущие свойства конкретного объекта управления, определяя в соответствии с ними значения настраиваемых параметров регуляторов.

Степень разработанности.

Вопросам идентификации объектов управления и настройки регуляторов посвящено множество работ отечественных и зарубежных авторов. В абсолютном большинстве из них рассматриваются методы, ориентированные на персональные компьютеры. Меньше внимания уделено аппаратно-программным средствам идентификации объектов управления и настройки регуляторов. Это относится к встроенным в САУ средствам, но еще в большей степени — к мобильным устройствам. Немногочисленные работы этого направления известны. Одна из первых работ, в которой приведены не только теоретические обоснования, но и схемная реализация устройства для идентификации объектов управления, была представлена Бессоновым A.A., Загашвили Ю.В., Маркеловым A.C. Еще одна яркая и существенно новая для своего времени работа была доложена на XI Конгрессе IFAC известными учеными из Швеции К. J. Aström. и Т. Hägglund. Другие публикации исследователей этого направления (Wang Y.-G., Shao Н.-Н., Leva A., Colombo A.M.) также представляли и представляют до настоящего времени определенный интерес. К сожалению, эти и другие работы не смогли вывести на рынок мобильные устройства, не сделали их применение массовым.

Таким образом, несмотря на имеющиеся результаты, задача создания двух инфраструктурных приборов (мобильных идентификатора и прибора для настройки регуляторов САУ) для обслуживания САУ еще не решена, что определяет актуальность темы диссертационной работы.

С развитием техники и технологий задача настройки промышленных САУ становится все более актуальной, т.к. возрастают требования к качеству, безопасности и надежности производственных процессов, характеризующихся разработкой все усложняющихся объектов управления. В этих условиях отклонения от регламентов влечет за собой большие материальные и временные потери, которые возникают как вследствие работы объектов не в оптимальных режимах, так и вследствие необходимости проведения частых

5

регламентных работ по настройке регуляторов. К этому добавляются объективно необходимое для общества постоянное повышение требований к производствам и их системам управления в отношении надежности, качества, точности и т.д.

В связи со сказанным в работе объектом исследования является процедура настройки регуляторов САУ.

Предметом исследования являются технические средства настройки регуляторов САУ.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании алгоритмического обеспечения аппаратно-программных средств идентификации объектов управления и настройки регуляторов САУ.

Для достижения указанной цели необходимо:

1) разработать экономичные в вычислительном отношении алгоритмы идентификации объектов управления, формирования эталонных моделей настраиваемых САУ по прямым показателям качества и расчета настраиваемых коэффициентов регуляторов, удовлетворяющих требованиям создаваемого мобильного прибора;

2) выполнить анализ помехоустойчивости алгоритма идентификации с учетом его ориентации на работу с промышленными объектами управления;

3) разработать способ оценивания робастности настраиваемой системы;

4) решить задачу получения численных моделей объектов управления и САУ в целом с учетом достижения необходимого уровня робастности;

5) разработать и исследовать прикладное программное обеспечение прибора мобильного прибора для настройки регуляторов;

6) рассмотреть возможности и пути улучшения параметров прибора для настройки регуляторов, определить пути их реализации.

Методы исследования. Для достижения сформулированной цели и связанных с нею задач в работе использованы методы теории автоматического

управления, операционного и интегрального исчисления, численного решения систем линейных и нелинейных уравнений, метод системного анализа, вещественный интерполяционный метод, методы компьютерного моделирования и натурных испытаний.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемой при исследовании математической модели, компьютерным моделированием, экспериментальной проверкой результатов, сравнительным анализом полученных результатов теоретического и экспериментального исследования.

Научная новизна работы:

1. Разработаны экономичные в вычислительном отношении алгоритмы, позволившие создать мобильное устройство для настройки регуляторов на месте эксплуатации систем автоматического управления (пункты 1 и 4 паспорта специальности 05.13.05).

2. Предложен переменный шаг квантования при идентификации объектов управления вещественным интерполяционным методом с использованием непрерывных либо дискретных моделей, что обеспечивает существенное снижение вычислительных затрат при аппаратно-программной реализации алгоритма (пункты 2 и 4 паспорта специальности 05.13.05).

3. Модифицирован алгоритм формирования желаемых моделей систем автоматического управления вещественным интерполяционным методом с использованием непрерывных либо дискретных моделей, что позволяет снизить вычислительную сложность алгоритма (пункты 2 и 4 паспорта специальности 05.13.05).

4. Выполнен анализ помехозащищенности алгоритма идентификации, позволивший уменьшить влияние помех на точность получаемых

моделей объектов управления (пункт 2 паспорта специальности 05.13.05).

Практическая значимость работы:

1. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для решения задач идентификации, построения эталонных моделей и расчета настраиваемых коэффициентов регуляторов, позволяющее решать данные задачи на базе микропроцессорной техники.

2. Разработан и проверен вариант устройства для настройки регуляторов САУ, подтверждена его работоспособность и правильность выбранного направления создания.

3. Модифицирован способ формирования передаточных функций эталонных систем по прямым показателям качества, что повышает точность решения данной задачи.

4. Проверена работоспособность алгоритмов идентификации, построения эталонных моделей и расчета коэффициентов регуляторов при создании исполнительных систем управления двухзвенным манипулятором.

5. Разработан способ уменьшения вычислительной сложности алгоритма идентификации за счет введения неравномерного шага дискретизации, предложен способ задания закона его изменения.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследования переданы в Промышленную группу «Таллер», на кафедру Интегрированных компьютерных систем управления Томского политехнического университета, а также на кафедру Электронных систем Томского университета систем управления и радиоэлектроники.

Личный вклад автора. Автором диссертационных исследований

разработано алгоритмическое (от 20% до 80% для различных задач) и

программное (100%) обеспечение для получения модели объектов управления.

Автор самостоятельно исследовал способ уменьшения объема вычислительных

8

операций в процедуре идентификации, участвовал в исследовании помехоустойчивости метода и алгоритма идентификации. В полном объеме выполнил проверку работоспособности разработанных алгоритмов и программ в рамках задач идентификации и управления двухзвенным манипулятором. Автором также разработана функциональная схема устройства для настройки регуляторов, создан опытный образец прибора для идентификации объектов управления.

В работе автор защищает следующие положения:

1. Разработанные экономичные алгоритмы идентификации объектов, построения эталонных моделей систем управления по прямым показателям качества и расчета значений настраиваемых коэффициентов регуляторов позволяют создать мобильное устройство для настройки регуляторов (пункты 1 и 4 паспорта специальности 05.13.05).

2. Разработанные алгоритмы идентификации объектов управления в классе дискретных моделей приводят к снижению вычислительных затрат и повышению точности идентификации и формирования эталонных моделей (пункты 2 и 4 паспорта специальности 05.13.05).

3. Использованный способ распределения узлов дискретизации на основе чисел Фибоначчи для определенного класса объектов управления обеспечивает повышение точности получаемых моделей объектов (пункты 2 и 4 паспорта специальности 05.13.05).

4. Предложенный алгоритм идентификации объектов управления приводит к снижению объема вычислительных операций за счет неравномерного шага дискретизации функции времени (пункты 2 и 4 паспорта специальности 05.13.05).

5. Способ формирования эталонных моделей по прямым показателям качества — перерегулированию и времени установления — позволяет

повысить точность настройки регуляторов САУ (пункт 2 и 4 паспорта специальности 05.13.05). Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и представлены на всероссийских и международных конференциях и семинарах: Четырнадцатый Международный Симпозиум «Материалы, Методы и Технологии», рабочий язык - русский (Солнечный берег, Болгария, 2012); Международная научно-практическая конференции "Теория и практика в физико-математических и технических науках", рабочий язык — русский (Лондон, Англия, 2012); «Технологии Microsoft в теории и практике программирования»: Всероссийская научно-практической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск,

2012); International Conference on Advances in Materials Science and Engineering (Seoul, South Korea, 2012); II Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных (ТИМ'2013) с международным участием (Екатеринбург, 2013); «Современные техника и технологии»: XIX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 2013); «Технологии Microsoft в теории и практике программирования»: X Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных, (Томск, 2013); International Conference "Information Science and Computer Technology" (Shenyang, China,

2013); XI Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2013); International Conference on Mechatronics, Robotics and Automation (ICMRA 2014) (Shenzhen, China, 2014); 4th International Conference on Advanced Engineering Materials and Technology (Xiamen, China,

2014); International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control

Systems 2014 (Tomsk, 2014); Seoul International Invention Fair ("SIIF 2014")

(Seoul, Korea, 2014); IV Российско-корейский научно-технический семинар

«Мехатроника: устройства и управление», (Томск, 2015).

10

Публикация результатов работы.

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 публикации в рецензируемых журналах, 6 публикаций в материалах конференций, 1 патент на полезную модель и 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Стру:стура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 134 наименований. Общий объем работы составляет 187 страниц, 15 страниц - список литературы. Основная часть диссертации иллюстрируется 50 рисунками и 1 таблицей. Работа также содержит 7 приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы, ставится цель, формулируются задачи диссертационной работы, приводятся краткие комментарии к содержанию диссертации, сведения об апробации, публикациях и практическом использовании результатов проведенных научных исследований.

В первой главе дан краткий обзор современного состояния решения проблемы идентификации объектов управления и настройки регуляторов САУ. Рассмотрена актуальность задачи создания технических средств, направленных на получение объективных данных о состоянии объекта управления с целью использования их для настройки регуляторов.

Поставлена цель разработки устройства, направленного на решение следующих основных задач:

- идентификация объектов управления;

- формирование моделей желаемых САУ, обладающих требуемыми свойствами, выраженными прямыми показателями качества;

- создание алгоритма расчета настраиваемых параметров регуляторов, которые придают системе заданные показатели качества и точности.

Из этих достаточно общих задач вытекают требования к последующей реализации аппаратного и программного обеспечения разрабатываемого устройства в виде мобильного прибора.

Во второй главе рассматриваются пути решения перечисленных задач. На основе анализа этих путей выбор сделан в пользу вещественного интерполяционного метода (ВИМ). Исследованы вопросы применения метода к задачам оценивания точности получаемых решений, выбора критерия близости, помехоустойчивости алгоритмов идентификации и т.п. На всех этапах исследования особое внимание уделяется снижению объема вычислений, ориентированных на реализацию в мобильном приборе.

Основу ВИМ составляет вещественное интегральное преобразование

оо

F(S) = JyXOe'^íÜ.SetC.oo^C^O, являющееся частным случаем о

преобразования Лапласа, в котором комплексная переменная p = 8+ja> вырождается в вещественную 5 при т = 0. Вещественные изображения F(8) могут быть получены по приведенной формуле прямого 8 -преобразования или формальным путем - заменой комплексной переменная р на вещественную 5. Такая замена справедлива при выполнении условия 5е[С,оо),С>0, обеспечивающего сходимость интеграла.

Модели вида F(S)' относятся к классу вещественных функций, что позволяет достаточно просто переходить к численным формам моделей и соответствующим операциям над ними. Все это приводит к значительному сокращению вычислительных операций по сравнению с изображением по Лапласу и Фурье. Для получения дискретных форм моделей используется процедура дискретизации, в результате которой получают численные

12

характеристики вида [F(Sj)}n ={F(81);F(52);....F(5T])}, 1 = 1,7. Ее элементы F(8() определены как значения функции F(8) в узлах 8^82,...,

Численную характеристику можно получить по передаточной функции

+ 4 (1)

а„рп + ап_1р"1+... + \

а также переходной характеристике h(t), импульсной переходной характеристике k(t) или по известным входному и выходному сигналам. В первом случае в передаточной функции осуществляют замену p-*S, получая вещественную передаточную функцию

апо +а}1_]0 +...+1

Последующая дискретизация приводит к формуле для вычисления

\ ЬтЪ.т +Ьт_\Ь,т '+...+¿0 —

элементов численнои характеристики п'(Ъ,) =-—-—--, / = 1,7,

flA +Ял-А +-+1

где r} = m+n+1.

Во втором случае, когда известна переходная характеристика й(/), значения i = 1,77 вычисляются на основе формулы 5-преобразования и

соотношения Щр) = Р • Кр) в виде

N _6/

IV(8^) = 5, - ^ h(tj)e ' j Atj,&е [С,со),С > 0. Эта формула используется при j=О

идентификации при наличии экспериментальной переходной характеристики. Подобное соотношение имеет место в случае импульсной переходной характеристики k(t).

В общем случае произвольного входного сигнала х(() и известной реакции y(t) расчетная формула принимает вид:

-¡г;—•

/=0

Представленные расчетные формулы хорошо согласуются с выходными дискретными сигналами современных датчиков и микропроцессорными средствами. Рассмотренная задача составляет первый этап процедуры идентификации — получение элементов численной характеристики / = 1,7

передаточной функции объекта. Второй этап состоит в вычислении коэффициентов вещественной передаточной функции

Щ8) =--- по известной численнои характеристике 1У(6).

ал6" +<7л_|5 +... + 1

Коэффициенты Ьт,Ьт1,...,Ь0,ап,ап ^,...,а1 найдутся как решение системы

+£•„J_^5,■'" '+...+¿>0

линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) Щ8/) =--,

«»8, +а„_,5(.""'+...+ 1

1 = 1,1}. Таким образом определена передаточная функция (1). Переход к форме (2) осуществляется формальным путем при помощи замены Ь—>р.

Заключительный этап идентификации состоит в оценивании погрешности полученного решения и, если это необходимо, в ее уменьшении. Опыт работы показал, что наиболее понятно для человека сравнивать результаты идентификации в области времени, сопоставляя экспериментальную временную характеристику у(/) и соответствующую характеристику у„0) модели объекта. Мерой близости в работе принята Чебышевская норма Ду = гпах|_у(/)-_ут(<)|. Переменная 5, в условиях равномерного распределения

узлов позволяет изменять величину Ау. Таким образом, переменная 5, выступает в роли инструментальной переменной в приближении к наилучшему решению.

В технологии приведенных расчетов эффективным инструментом выступает также использование неравномерных узлов 5;. Такое распределение,

во-первых, позволяет повысить точность расчетов вплоть до реализации идеи ПЛ. Чебышева о наилучшем приближении, привлекая метод ЕЛ. Ремеза, и, во-вторых, оно обеспечивает снижение объема вычислений за счет уменьшения числа узлов.

С этой целью используют неравномерное распределение узлов на основе полиномов Чебышева 1-го рода. В работе были исследования распределения на основе чисел Фибоначчи, что также привело к значительному улучшению результата. Установлено, что последнее распределение имеет свои недостатки и ограничения при его использовании для функций в области времени: их высокая концентрация в начальной области, которая обычно не представляет интереса при идентификации, достигается за счет увеличения шага дискретизации на конечном участке переходного процесса. Определенного смягчения этого недостатка можно добиться смещением последнего узла далеко за значение времени установления.

В работе выполнены исследования помехоустойчивости алгоритма идентификации. Получены положительные результаты, так как функции времени и ее изображение связаны интегральной зависимостью, которая обладает сглаживающими свойствами. Вычислительные эксперименты показали, что при действии аддитивных помех со среднеквадратическом отклонением, достигающим 20% от текущего значения функции, погрешность для целей идентификации рядовых промышленных объектов остается удовлетворительной.

В третьей главе основные из разработанных алгоритмов проверены на реальной задаче идентификации двухзвенного манипулятора. Он используется Группой передовых алгоритмов управления и коммуникации (Advanced Algorithms for Control and Communications) для учебных и научных целей.

Наибольший интерес представляет влияние положения второго звена на параметры первого звена. Это влияние проявляется в виде зависимости момента инерции нагрузки двигателя первого звена Jx от угла поворота второго: Jí{q2). Для получения такой зависимости сначала должно быть найдено исходное значение момента инерции Jx, соответствующее началу движения первого звена, затем функция Jl(q2).

По переходной составляющей выполняется идентификация в условиях низкой точности переходных данных. Исходные данные представлены параметрами двигателя и экспериментальным графиком изменения положений первого звена под действием вращающего момента т, (Рисунок 1). Задача состоит в идентификации разомкнутого привода первого звена с целью последующего построения исполнительной системы управления. Особенность задачи состоит в том, что при Х| ^ 0 существует равновесное положение манипулятора, когда движущий момент т, равен моменту сопротивления Ме, определенного влиянием Земли.

Рисунок 1 - Графики изменения сигналов <Ц, и <?2 Для решения задачи она была декомпозирована на две самостоятельные.

Первая состояла в идентификации привода по переходному процессу при ?е [0,0.37]. Эта модель должна отражать собственные свойства привода. В рамках первой задачи был вычислен момент инерции J, двигателя первого звена, учитывающий влияние первого и второго звеньев при q2 = const. Вторая задача состояла в определении модели первого звена в условиях движения второго звена (q2 = var). При этом относительное положение второго звена оказывает влияние на момент инерции J,, то есть, Jl(q2).

Выделенные задачи позволили, во-первых, найти начальное значение момента инерции J, и, во-вторых, отслеживать его изменение Jl(q2) на основе кинематических соотношений. Результаты решения второй задачи представлены на Рисунке 2 в виде графика погрешности

= |ii(0 —9im(0|, где ?1т(0 - угол поворота модели первого звена. Максимальное отклонение Л^,^ = 0.00! 9 рад. для рассматриваемого манипулятора и его функций считается приемлемым.

Рисунок 2 - График отклонения Д?, (/) = (/) - д1т (<)| Для синтеза трехконтурной исполнительной системы управления первым звеном необходимо сформировать ее желаемую модель. Были сформированы

исходные данные в виде нулевого перерегулирования и времени установления 0.1 с. По методике ВИМ были заданы характерные точки, показанные на Рисунке 3. Полученное решение представлено на том же рисунке.

0.4 г-.......г........г........г........;........7........;.............-,

: ; 4-------4-----ф-----1------ф

ом-.......;............................!.....---;........!........;

; / \ ; ; ! | ! |

0.3--------------;----- О Характерные гочкм

:/ ; -----Желаема? переходная характеристика

0 25 -------.......(........I-........I........I........!........I........)

0 15----!-;--------1........г........j........;........i........j........i

0.1 — f-—\........;........|........í........;........;........т........i

0.05 -1......j........i................;........;......-----......;........:

-i-i-1-i-i-i-i-i

0 0.05 0.1 0.15 0 2 0.25 0 3 0 35 0.4

1. с

Рисунок 3 - График желаемой переходной характеристики hr„(t) и исходные характерные точки

Полученные результаты идентификации и синтеза желаемой передаточной функции позволяют перейти к синтезу регуляторов тока, скорости и положения. Эта задача выходит за рамки работы и здесь не рассматривается.

В четвертой главе рассмотрены вопросы создания аппаратно-программного части устройства для настройки регуляторов, а также возможные пути улучшения его технических характеристик. Получены положительные результаты по сокращению сложности алгоритмов.

Алгоритмическая структура устройства включает в себя алгоритмы идентификации, формирования желаемых передаточных функций, вычисления коэффициентов регуляторов САУ, итерационного улучшения результатов синтеза регуляторов, моделирования системы с регулятором, имеющим новые настройки. Особую практическую значимость имеет последняя задача, так как она определяет проверку работоспособности настраиваемой САУ. В теоретическом плане достаточно новым интересным элементом является

18

ф

/ О Характерные гочкм -----Желаема? переходная характеристика

!

*

/ i

оценивание робаетности настраиваемой системы, определяемой по стабильности перерегулирования при изменении инструментальной переменной.

Для решения практически всех перечисленных задач необходимо иметь программный модуль обращения преобразования Лапласа. Это вызвано тем, что оценивание результатов решаемых задач удобно выполнять в области времени, по временным динамическим характеристикам.

В условиях компьютерных технологий задача обращения преобразования Лапласа имеет несколько вариантов решения. Для решения задачи обращения как одной из функций мобильного прибора воспользоваться распространенными программными средствами, таких как MathCAD, MATLAB, Mathematica и т.д. невозможно. С одной стороны, это дорого, так как нужно приобретать весь пакет, с другой стороны такое решение резко понижает быстродействие прибора, что практически неприемлемо.

Для устранения этих трудностей было разработано специальное программное обеспечение, учитывающее особенности решаемых задач: порядок передаточных функций объектов управления, отсутствие кратных полюсов, особенности в начале координат и т.д. С учетом этого была создана первая версия решения указанной задачи, ориентированная на передаточные функции до третьего порядка. В настоящее время эта работа продолжается с целью расширения возможностей устройства.

Работа по аппаратной части прибора связана в первую очередь с получением с данных идентификационного эксперимента. Поэтому в состав прибора был включен внешний модуль ввода Ke-USB24R компании KernelChip. Он выполняет роль устройства для восприятия данных, затем передает их на вычислитель прибора.

Программное обеспечение прибора реализовано на базе операционной

системы Windows и языка программирования - С#. Часть пользовательского

интерфейса программы приведена на Рисунке 4. На нем показана экранная

19

форма с результатами идентификации при выбранной структуре передаточной функции и входными данными.

¡велШч-ясг

;; Подключить прибор ; ■ Загрузить данные :1 СоШгоНег

| Овьвкт управления ! [симхт управления и ПИД-рвгугатор: Структура передаточной функции

«1 р > I

V \У{|>>=

п2 :

Ы 1-> I Ы1

1.11 р

»ЧР1- -

.1.1-1

'13 ,

Передаточная функция

0.137р2 + 1 323р + 1

График

Инвертировать Порог

Идентифицироаать

задержка

Пераый узел интерполяция Норма Чебышеза

Рисунок 4 - Окно интерфейса пользователя В процессе работы выяснилось, что характеристики прибора можно улучшить, если перейти к дискретному вещественному преобразованию и соответствующим моделям. Это направление развития оказалось перспективным не только в задачах идентификации, но и построения эталонных моделей (возможно прореживание отсчетов) и расчета коэффициентов регулятора.

В Заключении приведены основные результаты диссертационной работы и выводы.

1. Проведенные исследования позволили сделать положительное заключение о возможности создания мобильного устройства для настройки регуляторов САУ.

2. Разработаны необходимые для функционирования устройства алгоритмы: идентификации, формирования желаемых передаточных функций, расчета настраиваемых параметров регуляторов САУ.

3. Предложен способ снижения объема вычислительных операций при

идентификации объектов управления за счет переменного шага квантования,

20

' зависящего от скорости изменения выходного сигнала.

4. Показана возможность снижения сложности алгоритмов идентификации и получения эталонных САУ, используя математические модели на основе вещественного дискретного преобразования.

5. Исследована помехоустойчивость алгоритма идентификации, приведены рекомендации по уменьшению влияния аддитивных помех на результаты идентификации.

6. Предложен и проверен способ снижения объема вычислений за счет перехода к неравномерной выборке отсчетов экспериментальных функций времени в рамках вещественного интерполяционного метода, привлекая распределения на основе чисел Фибоначчи.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК:

1. Goncharov, V.I. Device for the experimental Determination of Control Objects' Mathematical Models / V.I. Goncharov, I.O. Ilyin, V.A. Onufriev // Advanced Materials Research. - 2013. - Vol. 650 - pp. 493-497.

2. Goncharov, V.I. Getting the mathematical models of automatic control systems with non-uniform sampling period / V.I. Goncharov, A.V. Liepinsh, V.A. Onufriev // Applied Mechanics and Materials. - 2014. - Vols. 536-537. - pp. 1244-1250.

3. Goncharov, V. The device for control objects identification: getting temporal dynamic characteristics / V. Goncharov, V. Onufriev, E. Perebeynosova // Advanced Materials Research. - 2014. - Vols. 1006-1007. - pp. 631-638.

4. Ilyin, I.O. Mobile Devices for Plants Models Obtaining with the Possibility of Data Transition (by Ethernet) / I.O. Ilyin, A.V. Kudryavtsev, V.A. Onufriev // Applied Mechanics and Materials. - 2015. - Vol. 756. - pp 714-718.

5. Онуфриев, В.А. Идентификация двухзвенного манипулятора потолочного типа / В.И. Гончаров, В.А. Онуфриев // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2015. - № 1 (35). -С. 153-158.

Патент на полезную модель:

1. Пат. 136902 РФ, МПК G05B13/00 Устройство для идентификации объектов управления / Гончаров В.И. (РФ), Лиепиньш A.B. (РФ), Онуфриев В.А. (РФ); ФГБОУ ВПО "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (РФ), ООО "ИАСА" (РФ). - №2013113255; Заявл. 25.03.13; Опубл. 20.01.14-3 с.

Свидетельства о регистрации программы для ЭВМ

1. Онуфриев, В.А. Программа для ЭВМ «Идентификация объектов управления при помощи вещественного интерполяционного метода» / П.С. Дозморов, В.А. Онуфриев // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014614832 от 08.05.2014 г.

2. Онуфриев В.А. Программа для ЭВМ «Численное обращение преобразования Лапласа» / В.А. Онуфриев, Е.С. Перебейносова // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014619871 от 23.09.2014 г.

Работы в рецензируемых журналах

1. Гончаров, В.И. Получение желаемых передаточных функций импульсных систем автоматического управления [Электронный ресурс] / В.И. Гончаров, Т.Б. Ле, В.А. Онуфриев // Вестник науки Сибири. - 2011. - №1. - Режим доступа: http://sis.tpu.ru/iournal/article/view/141/63.

2. Гончаров, В.И. Синтез регуляторов импульсных систем автоматического управления численным методом [Электронный ресурс] / В.И. Гончаров, Т.Б. Ле, В.А. Онуфриев // Journal of International Scientific Publications: Materials, Methods & Technologies. - 2012. - V.6, Part 3. - Режим доступа: http://www.scientific-Dublications.net/download/materials-rnethods-and-technologies-2012-3.pdf

Работы в сборниках всероссийских и международных конференций

1. Гончаров, В.И. Синтез регуляторов импульсных систем автоматического управления численным методом / В.И. Гончаров, В.А. Онуфриев // Theory and practice in the physical, mathematical and technical sciences. - London: IASHE, 2012.-108 p.

2. Гончаров, В.И. Синтез регуляторов импульсных системы автоматического управления: определение взаимосвязи перерегулирования и желаемого времени установления / В.И. Гончаров, В.А. Онуфриев, В.З. Тхан // Технологии Microsoft в теории и практике программирования: сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. — 336 с.

3. Александров, И.А. Модификация алгоритма для прибора-идентификатора объектов управления / И.А. Александров, В.А. Онуфриев // Сборник докладов II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (ТИМ'2013) с международным участием. -Екатеринбург: УрФУ, 2013. - 302 с.

4. Лиепиньш, A.B. Аппаратно-программная реализация идентификатора объектов управления / A.B. Лиепиньш, В.А. Онуфриев // Современные техника и технологии: сборник трудов XIX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. В 3 т. Т. 2 / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. — 485 с.

5. Онуфриев, В.А. Программный модуль для определения переходной характеристики по передаточным функциям третьего порядка // Технологии Microsoft в теории и практике программирования: сборник трудов X Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (19-20 марта 2013 г.). - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. - 355 с.

6. Гончаров, В.И. Численное обращение преобразования Лапласа / В.И. Гончаров, Е.С. Перебейносова, В.А. Онуфриев // Молодежь и современные информационные технологии. Сборник трудов XI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», Томск, 13-16 ноября 2013 г. - Томск: Изд-во ТПУ. - 513 с.

Подписано в печать 30.09.2015. Тираж 100 экз. ¡Сол-во стр. 23. Заказ 26-15 Бумага офсетная. Формат А5. Печать RISO. Отпечатано в типографии ООО «РауШ мбх» Лицензия Серия ПД №12-0092 от 03.05.2001 г. 634034, г.Томск, ул. Усова 7. оф. 046. Тел. 8-9528074686