автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка математического и программного обеспечения автоматизированных систем управления физическими свойствами электроламповых стекол

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА, я ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕЗТЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

РОМАНОВ Геннадий Александрович

РАЗРАБОТКА МТтТИЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ФИЗМЕШМИ СВОЙСТВАМИ ЭЛЕКТРОЛАМПОВЫХ СТЕКОЛ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетическом институте на кафедре автоматизированных систем управления тепловыми процессами

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент ВОЮТВ.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор МАНЕВИЧ В.Е.,

. ЯГОДКИНА Т.В. .

Ведущая организация: Всесоюзный научно-исследовательский институт источников света (ВБИШ1С)

специализированного Совета К 053.16.01 Московского энергетического института.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Отзывы о работе в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просил направлять по адресу: 105835, ГСП, Москвг Е-250, Красноказарменная ул., д. 14, Совет ШИ.

Автореферат разослан " /У" ¿ЬыоёЛЯ 1991 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета ,

кандидат технических наук, доцент •

к.т.н., с.н.с.

..... - ; - з -

- . Л,

Tñc " . I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Процесс производства электрических источников света, электровакуумных и газоразрядных приборов характеризуется наличием неизбежных технологических потерь, обусловленных применением деталей из стекла с присущими им дефектами и несоответствием требованиям однородности физико-химических свойств исходных материалов и стеклополуфабрикатов. От качества стекла в конечном итоге зависит годность и надежность готовых изделий. Для сокращения процента брака и увеличения объема выпускаемой продукции необходимо, чтобы стекло обладало стабильными физическими свойствами (ФС).

В настоящее время наиболее эйЦюктивным средством улучшения качества электроламповых стекол являются автоматизированные системы управления, внполнякщие функции подсистем стабилизации ФС в составе АСУ ТП производства стекла. При решении задачи тиражирования таких систем на предприятия отрасли установлено, что механическое перенесение результатов разработки на однотипные объекты невозможно даже для стекол одной и той же марки. В каэдом конкретном случае необходимо проводить большой объем исследовательских работ по анализу и синтезу систем управления, что требует значительных затрат времени и средств. Как показывает практика, автоматизация процесса проектирования позволяет существенно сократить сроки и стоимость разработки АСУ ФС стекол.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ МЭИ и Минэдектротехлрома СССР по разработке и внедрению САПР систем стабилизации физико-химических параметров стекол CI96-I, CI97-I, СЛ93-1.

Целью работы является разработка математического и программного обеспечения автоматизированной системы управления физическими свойствами стекол.

Алгоритм достижения поставленной цели включает в себя следующие этапы: I) исследование основных принципов проектирования и тиражирования АСУ ФС; 2) разработка математического обеспечения решения задачи идентификации динамических объектов в условиях ограниченного объема экспериментальных данных; 3) построение математического описания технологического процесса производства стекла; 4) разработка математического обеспечения решения задачи синтеза многосвязяых систем управления при неточной исходной

информации; 5) разработка программного обеспечения САПР АСУ ФС стекол.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан алгоритм математического описания динамических объектов, основанный на двухэтапной процедуре идентификации, до-пускаэдий количественную оценку точности и надеаности получаемого результата и проварку возможности представления анализируемого объекта моделью с дробно-рациональной структурой.

2. Разработана методика оптимизации многосвязных систем управления тепловыми объектами, учитывающая погрешности математического описания.

3. Лш репения задачи синтеза иного связных, систем управления при неточно заданной исходной информации доказала возмояность определения верхней грана множества значений критерия эффективности.

4. Разработан алгоритм оптимизации систем стабилизации физических свойств стекол, работоспособный при неодинаковой размерности векторов входных воздействий и выходных параметров.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе предложенного алгоритма двухэтапной процедуры идентификации создан пакет прикладных программ, позволяющий автоматизировать процесс построения по экспериментальным данным переходных и импульсных характеристик реальных тепловых объектов и корреляционных функций возмуиавдих воздействий. Обоснована возмояность определения параметров центрально;: модели динамики кассообмена аналитическим способом, позволивши отказаться от проведения длительных и дорогостоящих активных экспериментов на реальном оборудовании. Результаты имитационного моделирования подтвердили эффективность предложенной методики расчета оптимального алгоритма управления при неточном математическом описании. Разработанное специальное программное обеспечение САПР АСУ ОС стекол и создании.'! на его основе программно-технический комплекс прошел всесторонние испытания и сдан в эксплуатацию во Всесоюзный научно-исследовательский институт источников света (г.Саранск). Автоматизация процесса проектирования позволила сократить сроки разработки АСУ ФС стекол с 2 - 4 лет до I - 2 месяцев. С помощью САПР спроектирована (в полном объеме) система стабилизации стекла СЛ97-1 (г.Смоленск) и (частично) система стабилизации стекла СД93-1 (г.Саранск).

Дпробапия работы Основные результаты диссертационной работы

докладывались на У1 конференции молодых ученых и специалистов МЭИ (г.Москва, 1987г.), III и Г/ Всесоюзных конференциях по перспективам и опыту внедрения статистических методов в АСУ ТП (г.Тула, 1987г., 1990г.), Д Всесоюзной конференции по автоматизации и роботизации в химической промышленности (г.Тамбов, 1988г.), научно-технической конференции МЭИ (г.Москва, 1988г.), 111 Всесоюзной конференции по перспективным методам планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов (г.Гродно, 1988г.), IX Всесоюзной конференции ио планированию и автоматизации эксперимента в научных исследованиях (г.Москва, 1989г.), Всесоюзном научно-техническом совещании по теоретическим и прикладным проблемам создания систем управления технологическими процессами (г.Челябинск, 1990г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста и заключения, изложенных на 155 машинописных страницах; списка литературы из 131 наименования, содержит 8 таблиц, 35 рисунков и приложения на 66 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и определена ее цель. Сформулированы основные этапы достижения поставленной цели. Отражены вопросы практического использования результатов, полученных в диссертации.

В первой главе проведен анализ технологического процесса производства электролампового стекла как объекта управления и обзор способов улучшения качества стеклоизделий.

Для обеспечения дальнейшего роста эффективности стекольных производств необходимо совершенствовать технологию изготовления стекла. Однако, как показывает опыт зарубежных и передовых отечественных предприятий применение прогрессивных технологий и достижение высоких технико-экономических и эксплуатационных характеристик промышленных изделий оказывается невозможным при недостаточной однородности химического состава (ХС) стекла и низкой точности поддержания на заданных уровнях его ФС. Стабильность ФС, в свою очередь, зависит от целого ряда условий, важнейшими среди которых являются однородность XÛ сырьевых компонент шиты, стабияь-

ность выработка, оптимальность теплового режима варки. Выполнение перечисленных условий требует больших капитальных затрат и длительного времени л поэтому, как правило, оказывается за пределами возможностей реальных производств (например, для повышения однородности ХС шихты необходимо создать специальную подотрасль по производству гранулированной иихты с яестким регламентированным содер-канием сырьевых компонент). В связи с этим на данном этапе развития наиболее эффективным средством улучшения качества стеклоизде-лии являются автоматизированные систеш управления. В настоящее время накоплен большой опыт по созданию АСУ ТП производства стекла. Большинство разработок рассматривает вопросы стабилизации теплового рехима варки. В данной работе решается задача проектирования систем управления ЗС в предположении, что стабильность теплового режима обеспечивается локальными АСР. Системы стабилизации ОС предполагают обработку текущей информации о свойствах стекла и выработку управляющего воздействия при юс отклонениях в виде изменения отвесов пихты. Эффективность данного подхода доказана опытом длительной промышленной эксплуатации проектируемых систем. По своей структуре АСУ ОС в общем случае является многосвязной системой с максимальны:.! числом управлявших воздействий и. стабилизируемых параметров, равным четырем. 3 качестве контролируемых параметров выбраш физические свойства, для измерения которых разработаны простые экспрессные методы: коэффициент линейного термического расширения (КЕТ); температура размягчения, соответствукк цая различной вязкости стекла (Тразм); плотность (3> ); температура, характеризующая электропроводность стекла при сопротивлении 100 Ом (Гк-100).

Особенности объекта управления, обусловленные значительной инерционностью ванной стекловаренной печи (ВСП), распределенностью параметров, высоким уровнем помех, относительно коротким периодом межремонтной эксплуатации и ограниченной возможностью проведения экспериментальных исследований затрудняют решение задачи идентификации. Наличие существенных погрешностей математического описания (Ю) исключает возможность определения оптимального алгоритма управления традиционными методами.

Сформулирована задача разработки методики оптимизации многосвязных систем управления при неточном Ш. Необходимое доя синтеза математическое описание объекта управления (ОУ) и возмущающих воздействий (ВВ) определяется в виде множеств аналитических вира-

женийТ\Г^ ,RiK , характеризующихся центральными моделями множеств ul^y , t,RtK и мсрагя! неопределенности (разброса) Лщ , эле-

ментов ^^относительно центра. Awxj и Лии являются

количественными характеристика™ погрешностей МО. Поиск центральных моделей к^г и проводится в классе линейных и стационарных объектов из условия win, .

Невозможность механического перенесения результатов разработки АСУ ФС стекла на предприятия отрасли требует в каждом конкретном случае проведения большого объема исследовательских работ по идентификации ОУ и ВВ, формулировке критериев и синтезу систем управления. Выполнение такого рода работ обычными способами связано с большими затратами времени (в среднем 2-4 года) и средств, применением квалифицированного груда и обработкой значительного объема информации. Как показывает практика, наиболее эффективным средством существенного сокращения сроков проектирования, уменьшения стоимости и трудоемкости разработки АСУ, повышения качества их функционирования является система автоматизированного проектирования. Сформулирована задача разработки математического и ~ программного обеспечения САПР АСУ ФС стекол. В соответствии с результатами декомпозиции задачи синтеза составлен алгоритм автоматизированного проектирования систем стабилизации ФС стекол.

Вторая глава посвящена разработке математического' обеспечения решения задачи идентификации динамических объектов. Анализ известных методов идентификации показал, что они имеют ряд существенных недостатков, обусловленных в основном жесткой привязкой критериев точности к наблюдаемо^ отклику объекта, в то время как точность определения параметров искомой модели не оценивается. Для наиболее распространенных методов аппроксимации, основанных на определении динамических характеристик ОУ и корреляционных функций (КФ) случайных процессов (СП) с помощью различных процедур оптимизации параметров (симплексный, случайного поиска и т.д.) характерны следующие недостатки: I) приближение к данной конкретной кривой проводится без учета внутренних свойств исследуемого объекта (процесса), в частности, методы не дают возможности оценить параметры однородного линейного дифференциального уравнения (ЛДУ), описывающего ОУ или формирующий фильтр; 2) сходимость поисковых процедур во многом определяется априорными представлениями о поверхности функции цели (которые носят, как правило, случайный характер) и произвольно выбираемым начальным приближением.

Кроме того, нелинейность задачи относительно параметров аппроксимирующей модели существенным образом влияет на точность конечного результата (сходимость) и время расчета. Значительные затраты машинного времени ограничивают возможность применения данных методов при реоении задач в рамках САПР. Сформулированы основные требования, которым должны удовлетворять методы идентификации при автоматизированном проектировании систем управления.

Ддя описания переходных и импульсных характеристик линейных динамических объектов и корреляционных функций СП разработан метод математического моделирования, основанный на двухзгапной процедуре идентификации (Д1И). Суть метода заключается в раздельном последовательном определении корней характеристического уравнения ЛДУ и констант решения, зависящих от начальных условий и внесшего воздействия. Иными словами, вначале определяются параметры знаменателя, а затем числителя изображения модели по Лапласу в дробно-рациональном виде (при аппроксимации КО анализируется правая ветвь функции оригинала, после чего на основе свойства симметрии восстанавливаемся полное математическое описание). Предлагаемый подход базируется на следующих положениях:

- поскольку корки характеристического уравнения ДДУ не зависят от внешнего воздействия, то критерий точности их определения не должен быть связан с откликом объекта;

- так как константы общего решения ЛДУ зависят-от начальных условий и внешнего воздействия, то критерий точности их идентификации должен быть связан с откликом объекта;

- обязательным условием репенкя задачи идентификации является проверка возможности представления анализируемого объекта моделью с дробно-рациональной структурой и введение количественной меры точности и надежности результата.

В работе приведено доказательство возможности разделения процедуры идентификации на два этапа. Рассмотри;,I последовательность выполнения алгоритма ДЛИ. Общим решением ЛДУ с заданными начальными условиями является функция вида (для простоты рассуждений рассматривается случал отсутствия кратных корней)

"С п / , . \

где Ск ,Тк: - в общем случае комплексные числа; - ряд равноотстоящих сечений, причем ^¿-'Ц + .Л .

На первом этапе ДШ1 по исходной информации формируются сис-

темы уравнении вида

* „А, . (2)

где оценки параметров', определяющие корня характерис-

тического уравнения. Уравнение (2) имеет место для всех сечений

V» 1, У-п . гДе Ж - число рассматриваемых сечений. Для нахождения достаточно составить и решить относительно вектора 3 любую из м-^^систеи уравнений вида (2). Определение оптимальных оценок в соответствии с заданным критерием точности может проводиться различными методами. По найденным оценкам вычисляются корни ¿^,^к-ехр(-1(^й1;)к-БС)уравноння

На втором этапе ДЛИ определяется вектор констант решения ЛДУ б = {с4,...,$„,}• Дя*1 этого решаются системы уравнений

. (3)

к-1 А

Процедура пояска оптимальных оценок вектора С может бить осуществлена различными методам:!,

ДНИ является общим методом математического описания различного типа динамических объектов. При решении задачи синтеза систем в условиях неточного МО алгоритм ДЛИ позволяет определять центральные модели.

Предложенный алгоритм реализован в пакете прикладных программ (ППП) МОВЕи . Основу ППП составляют следующие функциональные блоки: I) диагностики исходных данных; 2) учета физических ограничений (на дифференцируемость СП - при аппроксимация оценок К<5; на установившееся значение - при аппроксимации оценок переходных характеристик ОУ); 3) проверки устойчивости получаемого решения; 4) проверки возможности представления анализируемого объекта моделью с дробно-рациональной структурой; 5) вычисления оценок вектора Ц ; 6) проверки устойчивости модели; 7) вычисления оценок вектора с •

В работе показана эффективность предложенного алгоритма ДЛИ на примере решения ряда прикладных задач.

Третья глава посвящена разработке математического описания технологического процесса производства стекла. В соответствии с результатами декомпозиции объекта управления в' структурной схеме ОУ выделена динамическая составляющая по каналу "состав шгхтн -состав стекла" и статическая составляющая по каналу "состав стек-

ла - свойства стекла". Невозможность непосредственного измерения воз:,ухающих воздействий позволила представить их совокупность в виде эквивалентного, приведенного к выходу объекта, возмущения.

Еесткие требования на отклонения физических свойств стекла и отсутствие непрерывных способов контроля ФС усложняют решение задачи идентификации динамических характеристик ВСП. В этих условиях точность получаемого результата существенным образом зависит от выбора метода математического описания. На основании проведенного анализа методов исследования динамики ВСП установлено, что наиболее З'Ъректшвиш является комбинированны;; метод, предполагающий выбор структуры модели, проведение активных экспериментов по определению динамических характеристик и нахождение по их результатам параметров модели. Выбор структуры математической модели является наиболее сложным и -неформализованным этапом решения задачи ментификации. Анализ известных из литературы моделей динамики стекломассообыена показал, что они имеют неодинаковую структуру. Учитывая результаты анализа и опираясь на опыт разработки систем стабилизации ФС стекла, принимаем в качестве центральной модели множества IV модель, соответствующую передаточной функции апериодического звена второго порядка. Возможность использования относительно простой модели обусловлена применяемым в работе подходом к решению задачи синтеза при неточном математическом описании и значительной погрешностью определения статической взаимосвязи "состав - свойства", существенно превышающей неточность описания модели динамики.

. При проведении активных экспериментов в реальных условиях наибольиее распространение получили индикаторные методы (К.!), использующие различные типы индикаторов в качестве активных входных воздействий. ИЛ, несмотря на свои преимущества, имеют с точки зрения автоматизации процесса проектирования АСУ ¿С существенный недостаток, обусловленный значительными затратами времени и средств, необходимы.« для постановки активных экспериментов. Как показывает практика, на подготовку и проведение одного эксперимента по определению переходной или импульсной характеристики ВСП требуется в среднем 2-3 месяца. В работе была исследована возможность определения параметров модели динамики аналитическим способом, использующим технологические и конструктивные характеристики стекловаренной печи. Численные значения постоянных времени предложено определять как отношение массы стекла в варочной и выработочной части к производительности печи. Напдошше значе-

ния корректируются с учетом коэффициента возврата стеклобоя.

Дискретный характер измерений $С стекла приводит к необходимости разработки алгоритма управления в классе дискретных динамических операторов. Для описания дискретных процессов в работе использован математический аппарат, основанный на преобразовании Лорана. Соответствующая передаточной функции динамического каната управления дискретная модель задается изображением по Лорану импульсной характеристики в дробно-рациональном виде

тг /•-г 1л <*ч.гГ"

Сравнительный анализ моделей динамики, полученных аналитически!.! способом при решении ряда практических задач,"показал их достаточно точное соответствие экспериментальным данным. Эффективность предложенного способа позволила отказаться от проведения длительных и дорогостоящих активных экспериментов при проектировании АСУ.

Дня описания эквивалентных, приведенных к выходу объекта, возмущающих воздействий, обоснована необходимость и достаточность определения модели корреляционной функция фшуктуацнй ОС стекла. При выборе оптимальной структуры центргишшх моделей КО будем исходить из гипотезы о наличии и идентичности доминирующи внеанпх факторов, формирующих флуктуации К, связывая их в основном с единым механизмом процессов тепломассообмена, загрузки пихты, плавления, уноса с поверхности зеркала и едиными колебаниями химического состава стекла. Выдвинутая гипотеза проверялась на примере решения задачи идентификации КО флуктуации некоторых ЗС стекла СЛ97-1 СПО "Светотехника" с помощью алгоритма ДНИ. Практическое совпадение графиков аппроксимаций КЗ подтверздает состоятельность предположений об адеятичности внешнее факторов.

Ограниченный объем выборок экспериментальных данных и дискретность реализаций с интервалом дискретизация, не позволяющим определить степень наблюдаемой днфференцируемости СП, не дают возможности обоснованно выбрать порядок аппроксимирующей модели. На основании анализа результатов разработки АСУ ОС стекла принята модель СП в виде формирующего фильтра, позволяющего при разных значениях параметров иметь на выходе монотонную или осциллирующую К3> однократно дифференцируемого СП и монотонную КО недпффе-ренцируемого СП. Соответствующая дискретная модель I» флуктуаций ФС стекла задается изображением по Лорану ее правой ветви

¡¡ля нахождения параметров центральной модели КО (5) используется алгоритм дьухэтадной процедуры идентификации.

Единый механизм формирования флуктуаций ФС позволяет при идентификации ВЗ определять модель RS одного из контролируемых параметров. 3 качестве такого параметра выбран КЛТР, имеющий наименьший (среди ФС) интервал дискретизации, равный одним суткам.

Лдя построения статической взаимосвязи "состав - свойства" в работе использован -алгоритм идентификации, разработанный в научной группе коллективом авторов и подтвердивший свою работоспособность при решении ряда практических задач. Основу алгоритма составляет вычислительная процедура метода комбинаторно-статистической идентификации. Общие положения этой процедуры даны в приложении.

Четвертая глава посвящена, разработке алгоритма оптимизации мкогосвязных систем, учитывающего погрешности математического описания объекта управления и возмутдащих воздействий.

При расчете реальных систем управления в качестве критерия эффективности (КЗ) часто используется средний квадрат отклонения контролируемых параметров от заданных значений

б" = hm 4jT6*(t)M, VH, Ч • х-*- -> о "

где &■,£*) - ошибка управления i-того параметра. Наличие погрешностей МО не позволяет на стадии проектирования гарантировать то или иное значение КЭ. Поэтому поиск оптимального алгоритма управления (АУ) проводится путем минимизации максимально возможного на множествах V н R значения суммы

¿М&Т-™1*^ се)

где = y/ifi^ii} ~ верхняя грань тожества значений КЭ; - весовые коэффициенты, связывающие технологические нарушения режимов эксплуатации с экономическими показателями производства.

На первом этапе задачу оптимизации АУ будем рассматривать для произвольного объекта, характеризующегося равным числом входных воздействий п выходных параметров. В соответствии с принятым в первой главе подходом математическое описание многосвязного объекта управления и возмущающих воздействий записывается в виде

f *** (V)

где u,j(t) - управляющее воздействие.

Запишем псходше уравнения состояния замкнутой системы

{ &(t) = x(t)-nrirct) ; ^00 = (K^eXt? } , (9)

где-иГ (■) - матрица динамических оператороз по. отдельным каналам связи; «/¡>(-) - матрица динамических операторов обратной связи (алгоритм управления); oc(t)- вектор лриззденннх к выходу возмещающих воздействий.

Учитывая систему уравнений, определявшую процессы в эквивалентном объекте ( £^(t) ,"tt,(t) ,<5£(tJ с однозначно определенным динатаческим оператором W-w , получим

{ 6Ct)-57(*МФе*еХ10 ; e)(t) ] ,

где ^W^fl+KipJWpW]"1, ^(t) = VP(p), I ~ еди-

ничная матрица; \f? , - матрицы с элемента:.:! vTpij , Wwij ;

e({)=ti/uT(t)-(yi^" (tj - отклонение отклика истинного неизвестного оператора объекта от центральной модели.

Для определения верхней грани множества значений критерия эффективности воспользуемся известны:.; неравенством. После ряда преобразований имеем

(II)

(12)

I ^ 4 Ча + 3

где ■ ~ пнтеграш от модулей футжций ^¿ц и Фцц бесконечных пределах.

В соответствии с (7)

и, следовательно, искомые значения будут определяться системой матричных неравенств

{ 5 } (13)

гДе Луг ~ матрица, элементами которой являются значения мэр неопределенности •

Необходимым условием существования верхней грани множества значений критерия эффективности является выполнение неравенства

У , Лля оценки максимально возможных значений б"« .

"41 VI

и воспользуемся формой описания корреляционных функций БВ • на множествах В^к. (8)

{ II < * "^[ДОЗ» ^ }

где б* , - значение среднего квадрата отклонения в экви-

валентной системе с однозначно определенными КФ; Л. - матрица, элементами которой являются меры неопределенностиДя^« -

вектор, значениями которого служат диагональные элементы матрицы. Введем обозначение

Преобразуя (13) о учетом (14) я (15), запишем окончательное выражение для критерия выбора алгоритма управления

^^^Л^Х-ЧЛ^^^е (16)

Следует заметить, что значения координат вектора могут быть вычислены для любого линейного алгоритма управления. При увеличении точности идентификации и сукении множеств Жц и

—О .Л^—о ) "б^сходится к значению

На следующем этапе для фиксированной структуры АУ определяется вектор параметров из условия (б). В результате анализа методов оптимизации установлено, что наиболее эффективным для рассматриваемой задачи является метод исключения областей, основанный на сеточном поиске. Несмотря на значительный объем вычисле- . ний метод сеточного поиска позволяет находить оптимальные решения при любом характере поверхности функции цели.

Возможность реализации разработанной методики оптимизации для решения практических задач существенно ограничена. В реальных условиях при синтезе систем управления ФС стекла число стабилизируемых параметров, как правило, не соответствует числу управляющих воздействий. Поэтому создаваемая методика должна быть инвариантна к директивам относительно размерности векторов входных воздействий и выходных параметров. Особенности объекта управления, обусловленные независимостью динамического оператора ВСП от конкретной компоненты ХС шихты, позволяют модифицировать предложенную методику оптимизации применительно к поставленной задаче .

В установившемся режиме значения стабилизируемых параметров определяются уравнением

где ,/л - вектор процентных содержаний основных оксидов в стекле; £(•) - оператор статической связи "состав - свойства".

Рассматривая вариацию статической связи относительно линейной модели 2 к, где - коэффициенты влияния к-того основного оксида на ¿-тнй параметр, запишем (I?) в следующем виде

где - оценка процентных содержаний основных окси-

дов в стекле, идентичная для всех связей "состав шихты - состав стекла". Учитывая свойство линейности динамического оператора и вводя в обозначение вектор фиктивных управляющих воздействий

£ {'к ** ' <19)

получим

2 «* )(*) = ( . (20)

Число фиктивных управлявших воздействий совпадает с числом стабилизируемых параметров. Таким образом выполняется необходимое условие предложенной выпе методики оптимизации и, следовательно, оптимальный алгоритм управления монет быть найден в соответствии с (15) '

■КЯ Л'+[ б^+ЛЭ*^'_

1/

тпм/б

(21)

где , - интегральные характеристики, построенные по аналогии с (II) путем замены на и/4? , и инвариантные к номеру отклика з .

Для определения фактического алгоритма управления воспользуемся уравнение:.! связи (19)

^ - • (22) Если матрица Ъ - квадратная, то

тг= в1^- В'^Н".

Так как В чале всего неквадратная матрица, то в алгоритме оптимизации при переходе от фиктивных операторов ^^ к фактическим использован подход, основанный на введении весовых коэффициентов надежности и эффективности управляющих воздействий. С учетом введенных коэффициентов получаем соотно-

шекие, определяющее оптимальный алгоритм управления в матричной , .opt ^ opt

= &4t£*» P (24)

где £2. - матрица с элементами ^j^jg /

При выборе структуры u/'pj учитывались имещиеся результаты имитационного моделирования систем стабилизации ФС. Установлено, что для рассматриваемой задачи наиболее эффективным при заданном запасе устойчивости системы является ПД-алгоритм.

Для проверки работоспособности предложенной методики оптимизации проведено имитационное моделирование системы стабилизации ФС электролампового стекла СЛ97-1 г.Смоленск;

Пятая глава посвящена разработке программного обеспечения САПР АСУ ФС стекла. Общее программное обеспечение (ПО) определено операционной системой реального времени. Прикладное ПО имеет типовую структуру и состоит из 20-ти проектирукщих и обслуживающих программных модулей (ПМ) и управляющей программы - монитора САПР. При разработке программного обеспечения были использованы принципы структурного программирования. Для осуществления непосредственного контакта пользователя с ЗШ в процессе автоматизированного проектирования АСУ ФС предусмотрен диалоговый режим работы.

Функциональным назначением основных проектирующих ПМ является: I) построение математического описания объекта управления и возмущающих воздействий; 2) оптимизация алгоритма управления и расчет показателей АСУ; 3) вычисление значений корректировок отвесов сырьевых компонент шихты; 4) установление коэффициентов надезшости отдельных связей многосвязной модели статики. В ПМ идентификации и синтеза систем управления реализованы алгоритмы, предложенные в данной работе.

Назначение программных модулей обслуживающей подсистемы САПР состоит в выполнении следующих основных функций: I) подготовки, ввода и тестирования исходных данных (ИД); 2) проверки соответствия числа точек массивов ИД; 3) обработки и хранения промежуточных результатов; 4) отображения необходимой информации на экране дисплея, компоновки и вывода проектной документации.

Тестирование исходных данных осуществляется в два этапа. На первом этапе проводится диагностика синтаксических ошибок, а. на втором этапе проверяемые значения сравниваются с соответствую!®-

ми значениями базы данных (БД). БД содержит нормативно-спразоч-ную информации об объекте проектирования и, совместно с системой управления базой данных (СУБД), составляет основу информационного обеспечения САПР АСУ ФС. Разработанная СУБД выполнена в виде программного модуля и основана на использовании реляционной модели данных.

Управление вычислительным процессом в соответствии с принятым алгоритмом проектирования осуществляется специализированной программой-монитором САПР. По своей значш.гости п трудоемкости создания управляющая программа превосходит все средства ПО. .Монитор САПР АСУ ФС стекла реализован в виде командного файла, использующего специальный процессор косвенных командных файлов.

В алгоритме проектирования предусмотрена возможность прерывания (по требованию пользователя) процедуры разработки АСУ и возврат к ней при повторном запуске системы. Вывод и хранение проектной документации осуществляется в соответствии с директивой проектировщика. Проектная документация содержит основные сведения об исходных данных синтезируемой системы, расчетные значения параметров математических моделей ОУ и ЗВ и показателей эффективности АСУ, алгоритм корректировок ХС шихты, управляющую программу и инструкцию по использованию проекта.

Комплекс технических средств САПР АСУ ОС стекла включает в себя ЭВМ С?Л-4 и стандартный набор пореферийяых устройств.

Разработанный программно-технический комплекс пропел испытания на вычислительной технике заказчика п сдан в эксплуатацию во Всесоюзный НИИ источников езета (г.Саранск). Знедрение САПР позволило сократить сроки проектирования систем стабилизации ФС стекла с 2 - 4 лет до I - 2 месяцез.

В приложениях к диссертации даны примеры репэняя задач идентификации с помощью предложенных атгорнтмов; основные положения методики идентификации статической взапмосвязи ОУ; проектная документация синтезированной (в качестве примера.) системы стабилизации ФС стекла СЛ97-1 ; акты о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАЕОШ

I. Определено, что невозможность механического перенесения результатов синтеза АСУ ФС на однотипные объекты и значительные

затраты времени и средств при традиционном способе разработки систем требует автоматизации процесса проектирования.

2. 3 результате анализа особенностей технологического процесса производства стекла, не позволящих получать точных математических моделей, обоснована необходимость разработки математического обеспечения идентификации и синтеза систем управления при неточно заданной исходной информации.

3. Дня математического описания динамических объектов разработан новый подход, основанный на даухэталной процедуре идентификации, допускающий количественную оценку точности и надежности получаемого результата и проверку возможности представления анализируемого объекта моделью с дробно-рациональной структурой. На основе алгоритма ДЛИ разработан пакет прикладных программ, позволяющий определять по экспериментальным данным переходные и импульсные характеристики объектов и корреляционные функции возмущающих воздействий.

4. Обоснована возможность определения параметров модели динамики массообмена аналитическим способом, использующим технологические и конструктивные характеристики стекловаренной печи. Эффективность предложенного способа позволила отказаться от проведения длительных и дорогостоящих активных экспериментов.

5. Разработана методика оптимизации многосвязных систем управления, учитывающая погрешности математического описания. Доказана возможность определения верхней грани множества значений критерия эффективности системы.

6. На основе предложенной методики разработан алгоритм оптимизации многосвязных систем управления ФС стекла, работоспособный при неодинаковой размерности векторов входных воздействий и выходных параметров.

7. Разработано специальное программное обеспечение САПР АСУ ФС стекол, состоящее из совокупности проектирующих и обслуживающих программных модулей и управляющей программы. Созданный программно-технический комплекс прошел всесторонние испытания и сдан в эксплуатацию во Всесоюзный НИИ источников света (г.Саранск). Внедрение САПР позволило сократить сроки проектирования АСУ ФС стекла с 2 - 4 лет до I - 2 месяцев. С помощью САПР разработана (в полном объеме) система управления физическими свойствами стекла СЛ97-1 (г.Смоленск) и (частично) стекла СЛ93-1 (г.Саранск).

Основные материалы диссертации изложат в следующих работах:

1. Курятов В.Н., Платонов С.С., Романов Г.А. Оптимизация многомерных систем управления в условиях неопределенности исходной информации // Тез. докл. Ш Всесоюзн. конф. по перспективам и опыту внедрения статистических методов в АСУ ТП. Тула. Т987. 4.1. С.153-154.

2. Метод комбинаторно-статистической идентификации / В.З.Волгин, В.Н.Курятов, Г.А.Роыанов, С.В.Соколов и др. // Сб. науч. трудов. № 142. М.: Моск. энерг. ин-т. 1987. С.64-70.

3. Курятов В.Н., Романов Г.А., Соколов C.B. Алгоритм математического моделирования сложных динамических объектов на основе метода комбинаторно-статистической идентификации // Тез. докл.

П Всесоюзн. конф. по автоматизации и роботизации в хи.\£гческой промышленности. Тамбов. 1988. C.7S-77.

4. Алгоритмическое и программное обеспечение имитационного моделирования нестационарных, негауссовских случайных процессов

/ В.В.Волгин, В.Н.Курятов, Г.А.Романов и др. // Тез. докл. Iii Зсе-союзн. конф. по перспективным методам планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных процессов к полей. Гродно. 1988. С.49-50.

5. Курятов В.Н., Романов Г.А., Соколов C.B. Метод идентификации линейных динамических моделей на основе двухэталной процедуры оптимизации // Сб. науч. трудов. Ü 184. П.: Моск. энерг. ин-т. 1988. С.29-34.

6. Курятов В.Н., Романов Г.А., Сафронова И.Н. Моделирование объектов и систем с использованием точных методов решения дифференциальных уравнений // Тез. докл. IX Всесоюзн. конф. по планированию и автоматизации эксперимента в научных исследованиях. Москва. 1989. 4.1. С.43-44.

7. Применение двухэталной процедуры оптимизации для идентификации динамических свойств объектов и временных характеристик случайных процессов / В.В.Волгин, Г.А.Рсманов, С.В.Поколов, К.А.Саков // Тез. докл. IX Всесоюзн. конф. по планированию и авто;,1атиззции эксперимента в научных исследованиях. Москва. 1989. Ч.П. C.I00-I0I.

8. Романов Г.А. Пакет прикладных программ для математического и имитационного моделирования динамических процессов // Сб. науч. трудов. JÊ 234. М. : Моск. энерг. iih-t. 1989. С.69-77.

9. Оптимизация систем стабилизации физико-химических пара-

метров стекол в условиях неопределенности исходной информации / В.Ц.Курятов, Г.А.Романов, С.В.Соколов и др. // Тез. докл. 17 Всесоюзн. конф. по перспективам и опыту внедрения статистических методов в АСУ ТП. Тула. 1990. 4.1. С.100-101.

10. Волгин В.В., Романов Г.А., Курятов В.Н. Система автоматизированного проектирования АСУ качеством стекол // Тез. докл. Всесоюзн. науч. тэхнич. совещан. пс> теоретическим и прикладным проблемам создания систем управления технологическими процессами. Челябинск. 1990. 4.1. С.127.

Тираж Заказ ' Бесплатно.

Подписано к печати

П" л ¿У^

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.