автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка методики, алгоритмов и комплекса программ автоматизированного синтеза многосвязных систем цифрового управления

На правах рукописи

КОЗЕНКО ИВАН АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ, АЛГОРИТМОВ И КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СИНТЕЗА МНОГОСВЯЗНЫХ СИСТЕМ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (пищевая и химическая промышленность) 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОКТ 2013

Воронеж - 2013

005535491

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кудряшов Владимир Сергеевич (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

кандидат технических наук, доцент Рязанцев Сергей Васильевич (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

Провоторов Вячеслав Васильевич

доктор физико-математических наук, доцент (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет»)

Курицын Владимир Алексеевич

кандидат технических наук,

зам. директора по АСУТП

ЗАО «НПП Центравтоматика» г. Воронеж

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» Защита состоится «7» ноября 2013 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.035.02 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, д. 19 (конференц-зал).

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес совета университета.

Текст автореферата и объявление о защите размещены в сети интернет на сайте Минобрнауки РФ http://vak.ed gov ru «3» октября 2013 года.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО ВГУИТ.

Автореферат разослан «3» октября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент ^ /у И.А. Хаустов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Во многих случаях объект управления представляет собой сложную динамическую систему. Это обусловлено наличием нескольких входов и выходов, взаимосвязью между отдельными координатами, а также высоким порядком дифференциальных уравнений, описывающих систему. Внутренняя структура многомерных объектов оказывает существенное влияние на проектирование и реализацию систем управления. Высокое качество управления такими объектами обеспечивается многосвязными системами, в частности автономно-инвариантными, учитывающими влияние перекрестных связей и внешних возмущений. Однако высокая размерность объектов значительно усложняет синтез систем управления данного класса, что обусловлено необходимостью выполнения значительного объема преобразований, связанных с параметрическим и структурным синтезом математической модели объекта, синтезом автономных компенсаторов перекрестных связей, инвариантных компенсаторов возмущений и эквивалентных объектов управления.

Значительное число работ (М.В. Мееров, В.Т. Морозовский, П.И. Чинаев, A.A. Воронов и др.) посвящено синтезу сложных систем, одним из ключевых и наиболее трудоемких этапов которого является расчет автономных и инвариантных компенсаторов, эквивалентных объектов управления.

В работах перечисленных авторов одним из основных теоретических результатов является полученное векторно-матричное выражение расчета передаточных функций (ПФ) автономных компенсаторов, как решение системы линейных уравнений. Для объектов размерности больше двух это приводит к необходимости выполнения значительного объема аналитических преобразований (обращение и перемножение матриц, перемножение полиномов, приведение подобных), к резкому увеличению числа и усложнению структуры ПФ. Это затрудняет или делает невозможным расчет вручную как автономных компенсаторов и всей системы в целом, так и разработку программного обеспечения, позволяющего автоматизировать процесс синтеза управляющей части системы.

Кроме того, несмотря на высокий уровень развития теоретических работ, современных технических и программных средств, не существует единого специализированного программного обеспечения, позволяющего автоматизировать большинство этапов синтеза (обеспечивая непрерывность расчета от начала и до конца в рамках одного прикладного программного обеспечения), моделирования и реализации многосвязных цифровых систем управления.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка методики, алгоритмов и программных средств для обеспечения автоматизированного синтеза, моделирования и реализации управляющей

части автономно-инвариантной цифровой системы регулирования высокой размерности.

Для достижения поставленной цели был сформулирован и решен ряд задач исследования:

1) разработка подхода к расчету выходов элементов автономно-инвариантных цифровых систем управления (автономных и инвариантных компенсаторов, эквивалентных объектов), включающего способ автоматизированного формирования структуры ПФ и методику численного расчета значений выходов;

2) разработка алгоритма моделирования и реализации элементов управляющей части и автономно-инвариантных цифровых систем в целом на основе предложенной методики;

3) разработка прикладного программного обеспечения синтеза, моделирования и реализации многосвязных цифровых систем управления на основе предложенных подхода, методики и алгоритмов;

4) исследование работоспособности, достоверности и точности вычислений предложенной методики, алгоритмического и программного обеспечения.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы применялись системный анализ, теория автоматического управления аналоговых и цифровых систем, методы математического моделирования, структурного синтеза и идентификации. Общей методологической основой является системный подход. Научная новизна.

1. Предложенный на основе системного анализа подход к расчету выходов элементов управляющей части многосвязных цифровых систем управления, заключающийся в представлении их в виде последовательно-параллельного соединения элементарных звеньев, отличающийся отсутствием необходимости получения в явном виде ПФ компенсаторов и выполнения связанных с этим аналитических преобразований, обеспечивающий высокую точность и быстродействие расчета управляющей части системы.

2. Алгоритм формирования структуры ПФ автономных и инвариантных компенсаторов, обеспечивающий их автоматизированный синтез для систем произвольной размерности

3. Методика расчета выхода автономного компенсатора, исключающая этап получения ПФ в явном виде и обеспечивающая высокую точность численных результатов.

4. Алгоритмы автоматизированного расчета и моделирования автономных и инвариантных компенсаторов, эквивалентных объектов управления, основных регуляторов, многосвязной цифровой системы управления в целом.

5. Математическое и алгоритмическое обеспечение автоматизированного выполнения всех этапов синтеза модели многомерного объекта управления.

6. Комплекс проблемно-ориентированного прикладного программного обеспечения расчета, моделирования и реализации автономно-инвариантных цифровых систем управления высокой размерности.

Практическая значимость. Создан пакет прикладных программ, позволяющий осуществить: синтез математической модели многомерного объекта; синтез автономных и инвариантных компенсаторов для систем произвольной размерности и произвольных порядков моделей каналов объекта управления; оптимизацию основных регуляторов на основе расчета эквивалентных объектов управления; расчет управляющей части автономно-инвариантных цифровых систем управления, обеспечивающих более высокое качество управления по сравнению с несвязными системами.

Разработанные методика, алгоритмы и программное обеспечение прошли апробацию при выполнении ряда этапов при проектировании АСУ технологическими процессами на ООО «Нефтехимпроект КНГ» г. Воронеж (акт внедрения от 25.03.2013).

Аппобация работы. Основные результаты по теме диссертационной работы доложены на международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-23, 24, 25, 26», в 20102013 годах (г. Саратов), «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности» в 2009 (г. Воронеж), «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности» в 2009 году (г. Воронеж), «Проблемы и инновационные решения в химической технологии» в 2010 году (г. Воронеж), «Современные проблемы прикладной математики, теории управления и математического моделирования (ПМТУММ-2011)» в 2011 году (г. Воронеж).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 33 печатных работы, в том числе 11 статей (из них 3 статьи в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК РФ при защите кандидатских и докторских диссертаций) и 6 свидетельств о регистрации программ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка и приложения. Материал изложен на 151 странице, содержит 71 рисунок и 21 таблицу. Библиографический список включает 154 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, перечисляются цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведен анализ работ по синтезу многомерных автономно-инвариантных цифровых систем управления объектами со связанными параметрами и возмущающими воздействиями. На его базе обоснована необходимость разработки математического, алгоритмического и соответствующего проблемно-ориентированного программного обеспечения (ПО) на основе системного подхода для автоматизации процессов синтеза автономно-инвариантных цифровых систем. В результате обзора сформулированы цели и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке подхода, методики и алгоритмов автоматизированного синтеза и расчета значений выходов автономных и инвариантных компенсаторов, эквивалентных объектов без получения их в явном виде.

В настоящее время общепринятая методика расчета и моделирования автономных компенсаторов заключается в выполнении двух основных этапов:

1. Расчет структуры ПФ компенсаторов на основе векторно-матричного выражения, включающего операции обращения и перемножения матриц в символьном виде:

цги^авт _ _ ууии_тт ^

где - вектор, состоящий из ПФ автономных компенсаторов; 1У"-авт

- матрица, состоящая из ПФ основных и перекрестных каналов объекта; IV"" -'""" - вектор, состоящий из ПФ перекрестных каналов объекта.

2. Получение в явном виде ПФ автономного компенсатора, числитель и знаменатель которой являются полиномами некоторых степеней, требующее выполнения значительного объема аналитических преобразований (перемножение полиномов и приведение подобных).

После этого осуществляется переход от ПФ к виду модели, позволяющей осуществлять моделирование (расчет выхода) автономного компенсатора.

Поскольку практическое применение данной методики затрудняет или делает невозможным расчет вручную как автономных компенсаторов и всей системы в целом, так и разработку программного обеспечения, был разработан подход, заключающийся в представлении автономного компенсатора в виде последовательно-параллельного соединения элементов с известными ПФ.

В результате проведенного анализа выражения (1) было выявлено, что ПФ автономного компенсатора 1¥к" ™л(2) может быть представлена в виде суммы произведений ПФ каналов многосвязного объекта:

(r (i 1))!/'(г (> О)

w: [iM(z)=v'Y1 п >Г1[Лй1/ s 'I п кы ](z) i (2)

p=i

л/«

^=1 У/ V >"=1

где 1Уи1а~"1[/>"" '(г), ](г) - ПФ каналов объекта; и?'\ /Г", Х1'*,/,у

- индексы, принимающие натуральные значения из диапазона 1,г ; ц, V, ц\ у' - номер слагаемого и номер сомножителя в числителе и знаменателе соответственно; г - оператор сдвига.

Для упрощения записи переобозначим элементы в выражении (2):

(г-(г-1))! = М, = _

где - ПФ каналов объекта; = 1,М ; =

Анализ выражения (2) показывает, что автономный компенсатор можно представить в виде последовательного соединения двух элементов:

/ ......... У

W'(z)

MW" (z)

Рис. 1. Структурная схема автономного компенсатора.

ГХг) = К(3), = ^П^'1^)! (4)

где и - вход компенсатора;/- выход звена с ПФ Щг); у - выход компенсатора; 1¥Хг),1У"(г) - числитель и знаменатель ПФ (2) автономного компенсатора.

........................— Исходя из

выражения (2) первый элемент соединения (рис. 1) представим в качестве М параллельных цепочек, каждая из

ГЧ-'НХ)»

Рис. 2. Структурная схема элемента с ПФ W\z): которых включает

z"™ - звено чистого суммарного запаздывания все- N последовательно

№ ,т .¡ш \ _ соединенных эле-

го соединения; dmm-rnin(d ,d ,...,d ,...,d ) ментов c ПФ

минимальное количество тактов запаздываний цепо- jj/MMf,); чек последовательно-параллельного соединения.

Используя конечно-разностное описание, последовательно-параллельное соединение элементов (рис. 2) можно представить следующей системой уравнений:

„ми ^и

Л + 2, ь1 ,

= 2 + ^ , у; ^л* , (5)

где л}"1'1,1 - выход у-го элемента //-й цепочки; <7^1М, /</''1И, _ пара.

метры и целое число тактов запаздывания моделей каналов объекта; дЛ/ЛМ ^ яЫк] _ порядки правой и левой частей моделей каналов объекта.

Согласно структурной схеме (рис. 2) предлагается следующий порядок расчета выхода /, : на основе текущего значения входа и,, рассчитываются выходы первых элементов каждой цепочки по соответствующим уравнениям системы (5), на основе которых рассчитываются выходы вторых элементов и т.д. до получения выходов последних элементов, сумма которых определяет выход всего соединения (элемента с ПФ (3)).

Рассчитанное значение входа элемента с ПФ 1¥"(г) (рис. 1) может быть использовано для нахождения выхода автономного компенсатора У/ , используя аналогичную схему последовательного расчета. Однако известные правила структурного преобразования не позволяют представить элемент с ПФ 1 /IV" (г) в виде аналогичного последовательно-параллельного соединения элементов. Для решения данной задачи предлагается инвертировать направление сигналов входа и выхода, что позволяет перейти от расчета выхода звена с ПФ 1 /IV" (г) к расчету входа IV" (г) по известному выходу:

д —1 а. Т^а =» у№'(г)

* У I ТТГ и/ Ч . У

IV"(?) ]«-

Рис. 3. Способ расчета выхода звена с ПФ \IW\z) на основе инвертирования направления сигналов «вход-выход».

Данный подход позволяет избавиться от дробно-рационального вида ПФ \IW\z), описывающей взаимосвязь сигналов/и у, а также представить ее в виде последовательно-параллельного соединения элементов (ПФ каналов объекта) (рис. 4), аналогично числителю. Существенным отличием является то, что известным остается величина выхода/и требуется найти вход у. Для этого согласно предложенной методике формируются запаздывания цепочек из входящих в них элементов. Минимальное запаздывание (запаздывание знаменателя автономного компенсатора) выносится

-¿"«г:

и?'111«

из каждой цепочки и представляет собой ПФ элемента, последовательно /""" Г""" соединенного с ис-

__ходной схемой

-:--(рис. 4).

/'■''' ; А""1 4 _ Выходы це-

А" 1

нж

-¿""-»■С

к

почек, запаздывание которых после описанного преобразования отлично от

~ ГГ.!?_"' —и нуля, рассчитыва-

Рис. 4. Структурная схема с учетом минималь- ются (Ш основе из_

ного суммарного запаздывания: г"® - звено чистого вестных предыду-суммарного запаздывания всего соединения; щих значений сиг-

^"^'«(/и21,-^1".....минимальное коли- нала у и использу-

чество тактов запаздываний цепочек последователь- ются для Расчета

ст*1»апипгп т-ТУПЛЯ

но-параллельного соединения.

суммарного выхода цепочек, запаздыва-

ние которых равно нулю:

<6>

С—1 1=1

где у; - известное значение выхода соединения (рис. 4); р - количество цепочек без запаздывания (р<М); / - количество цепочек с запаздыванием (/< М).

Используя конечно-разностные уравнения элементов цепочек оез

запаздывания:

„НШ *М1'1

1?т = 2 1-ЯГ + 2 Г11-У^-^г ^ ' (7)

(=1 '=2

= £ £ . .(8)

получим выражение взаимосвязи неизвестного текущего значения входа соединения у и заданного значения выхода / на основе подстановки в уравнение текущего элемента (начиная с последнего) вместо входа правую часть конечно-разностного уравнения предыдущего элемента.

Выход с-ой цепочки без запаздывания после подстановки моделей всех элементов в конечно-разностное уравнение последнего звена будет описываться выражением:

( (

М1Л

I ¿,с][п ■/}!}п + I • П

'=' (=0 ?=м

у[с][ N1 _ £

>11» » , ,

2 + I ъ\с]т • п ь\сЫ + п ь[сЫ

'-I 1=2 Л*,

••У,

Сумма выходов всех /з цепочек без запаздывания с учетом выражения (9) описывается зависимостью (10):

' С ¿'Ы ¡Хс]и\

±Лст = I

с=1 С=1

V V

У

1=1 (=0

/„мч , +1 2 «!'""I Г"-ПГ + ПГ"-)',

' ' ) N

У+1

П ¿Г""1

9=N

1=2

+

; (Ю)

Выражая у. , получим зависимость, позволяющую рассчитать значение входа всего соединения (рис. 4) на текущем такте квантования:

у,

с=:

' 2 ((¿С]Ы

I

I ■ лс,]и]+" I Ь\™ ■ /¡^ . п

(„МП *ми \

X I ЬГ'-У,-^ ■ П Ь\сЫ

'=' '=1 9=N

\\ /

р ( г

/

с=|1 ? = И

Разработанный подход, заключающийся в представлении автономного компенсатора в виде последовательно-параллельного соединения элементов с известными ПФ (рис. 2, 4), методика расчета выхода звена с ПФ \IW\z) (рис. 3), включающая полученную зависимость (11), позволяют осуществить автоматизированный расчет текущего значения у выхода автономного компенсатора без получения его ПФ в явном виде и выполнения сложных аналитических преобразований.

На основе разработанного математического описания предложен алгоритм итерационного расчета выхода звена с ПФ дробно-рациональной структуры (2), включающий в себя следующие этапы, выполняемые на каждом такте расчета (рис. 5): подача сигнала и на вход соединения (рис. 2), расчет текущих значений выходов цепочек и всего соединения ^ по зависимостям (5); расчет выходов цепочек с запаздыванием соединения (рис. 4) на основе предыдущих известных значений сигнала V

по зависимостям (7)-(8); расчет текущего значения сигнала^, по зависимостям (6), (11) на основе известных текущих значений сигнала /„ выходов

цепочек с запаздыванием и предыдущих значений выходов элементов цепочек ; расчет текущих значений выходов У/'"'1 элементов цепочек без запаздываний соединения (рис. 4) на основе рассчитанного текущего значения сигнала

Из описания приведенной методики следует, что для ее использования необходимо знать состав и порядок вхождения ПФ каналов объекта в цепочки последовательно-параллельного соединения (рис. 2, 4), что определяется векторно-матричным выражением (2). В связи с этим для обеспечения комплексной автоматизации процедуры расчета автономных компенсаторов и автономной системы управления в целом в рамках единого ПО была поставлена задача разработки алгоритма автоматизированного формирования структуры его ПФ на основе векторно-матричного выражения (1).

Одной из трудоемких операций синтеза структуры ПФ автономных компенсаторов является обращение символьной матрицы IV,," "'"" (1), связанное с многократным определением миноров различных порядков. Поскольку определитель матрицы представляет собой сумму из г\ слагаемых, каждое из которых является произведением г сомножителей, то основная задача сводилась к определению элементов матрицы, входящих в то или иное слагаемое и определение знака самого слагаемого. Недостатком известных подходов является использование ресурсоемких алгоритмов генерации перестановок и подсчета инверсий в каждом слагаемом.

На основе анализа метода формирования определителя путем разложения по элементам строки или столбца предложен алгоритм, исключающий проверку большого числа условий и обеспечивающий линейность

Рис. 5. Схема итерационного алгоритма численного расчета значения выхода автономного компенсатора.

вычислительного процесса за счет формирования вектора, содержащего номера столбцов неиспользованных элементов 1-й,2-й,...,(/-1)-й строк при формировании первой строки текущего минора (г-(;-1))-го порядка из элементов /-й строки исходной матрицы.

Кроме того, из анализа было установлено, что каждый из элементов /-Й строки входит /-м сомножителем в соответствующие (г-/)! слагаемых, содержащих комбинацию элементов всех предыдущих строк, что позволило организовать одновременное формирование ряда слагаемых детерминанта путем последовательного однократного добавления в них /-м сомножителем элемента ау и последующем переходе к следующей строке.

Поскольку номера элементов вектора, содержащего номера столбцов неиспользованных элементов 1-й, 2-й, ..., (/-1)-й строк, совпадают с относительными номерами столбцов текущего минора, то их использование позволяет одновременно с решением задачи получения структуры решить задачу получения знака слагаемого, что существенно снижает время получения ПФ автономных компенсаторов.

Благодаря предложенной методике расчета выходов автономных компенсаторов (осуществляется расчет запаздываний числителя и знаменателя компенсатора) была автоматизирована процедура проверки условия их реализуемости:

гН<с:И> 02)

где с1аквт - количество тактов запаздывания автономного компенсатора.

Если запаздывание отрицательно - компенсатор реализуем, в противном случае - нет.

Использование предложенной методики позволило автоматизировать проверку реализуемости автономной системы управления (проверка невырожденности матрицы объекта). Суть алгоритма заключается в расчете переходного процесса звена на некоторое входное воздействие, ПФ которого является детерминантом матрицы объекта управления |ИУ|. Если определитель матрицы равен нулю, то переходной процесс будет равен нулю, в противном случае - отличен от нуля.

На базе методики расчета выхода дробно-рационального выражения предложен алгоритм расчета численного значения выхода эквивалентных объектов управления (13) (при оптимизации регуляторов) и инвариантных компенсаторов возмущений (14).

цгиэЦЛЛ = |^[ДЛ+ £ Ц7"и\и\ ,цг«1Л1И щч

где 1У"экв[л1П - ПФ эквивалентного объекта управления; И//и]и](г) - ПФ

инвариантного компенсатора.

Таким образом, предложенная методика позволяет автоматизировать комплекс процедур, связанных с моделированием и реализацией автономно-инвариантной цифровой системы управления (ЛвИнЦСУ), включая: проверку реализуемости, синтез структуры и расчет выходов автономных компенсаторов; расчет выходов инвариантных компенсаторов возмущений; оптимизацию регуляторов на основе расчета выходов эквивалентных объектов; проверку реализуемости и моделирование АвИнЦСУ произвольной размерности.

В третьей главе на основе предложенного математического и алгоритмического обеспечения разработан комплекс программ автоматизированного выполнения основных и промежуточных этапов расчета, моделирования и реализации многосвязных цифровых систем управления, включающий следующие подсистемы: расчета многосвязных цифровых систем управлении (МЦСУ), информационную, управляющую, конфигурирова-

Рис. 6. Интерфейс подсистемы расчета МЦСУ (я, в, г) и информационной подсистемы (б)

Подсистема расчета МЦСУ позволяет сформировать математическую модель объекта и управляющей части системы, обеспечивая выполнение следующих этапов: сбор экспериментальных данных несколькими

способами (рис. 6а); разработка структуры взаимосвязей параметров многосвязного объекта и проведение идентификации его каналов с выработкой рекомендаций по выбору наилучшей модели (рис. бе); выбор структуры системы, регуляторов (компенсаторов) и расчет настроечных параметров численным методом и из условий автономности и инвариантности (рис. 6г).

Формирование базы данных экспериментальных значений осуществляется одним из трех способов: постановка активного (пассивного) эксперимента на реальном объекте; разбиение графика кривой разгона; ввод значений вручную.

Получение экспериментальных данных на реальном объекте может быть осуществлено в трех режимах: ручном, автоматизированном, автоматическом. При ручном режиме момент подачи входного воздействия и останова определяются оператором, при автоматизированном и автоматическом - на основе алгоритма определения установившегося состояния (или переходного режима). В условиях наличия аддитивной помехи с нулевым математическим ожиданием предлагается рассчитывать первую производную математического ожидания выхода, однозначно характеризующую наличие (отсутствие) установившегося состояния по зависимости:

(15)

где Ц, Ц. 1 - математическое ожидание значений выхода в некоторые моменты времени.

Равенство нулю первой производной свидетельствует о наличии установившегося состояния, в противном случае - переходного процесса.

Для разбиения графиков кривых разгона разработано математическое, алгоритмическое и ПО, позволяющее автоматизировать данную процедуру, учесть наличие основных помех (поворот рисунка, линии координатной сетки и отдельно стоящие точки), снизить затрачиваемое время и повысить точность получаемых результатов.

Формирование структуры входов и выходов объекта осуществляется в ручном или автоматическом режимах. В первом случае задача решается с использованием графического интерактивного интерфейса, во втором - наличие той или иной взаимосвязи определяется на основе выполнения следующего условия:

Ь*3™

N

(16)

где - дискретные экспериментальные значения переходного про-

цесса канала, связывающего 1-й вход и у'-й выход объекта; /' = \,г; у = 1,г; количество точек переходного процесса; £ - пороговое значение.

При выполнении условия связь считается существенной и учитывается в структуре объекта, в противном случае ею пренебрегают без существенной потери точности, значительных погрешностей расчета системы и снижения качества управления. Использование данного механизма позволяет упростить синтез связной цифровой системы управления.

Поскольку при решении задач синтеза систем регулирования используются различные формы описания, то при разработке программного обеспечения были получены универсальные математические зависимости, обеспечивающие возможность формирования модели объекта, как в непрерывной, так и дискретной форме и переход между ними.

Идентификация каналов проводится в автоматизированном режиме конечно-разностными уравнениями различных порядков, включая проверку адекватности и выработку рекомендаций по выбору наилучшего, в результате чего получают полную модель многосвязного объекта.

Подсистема конфигурирования УСО обеспечивает настройку режимов работы периферийных устройств и сетевого обмена данными между ними на основе промышленных протоколов МосНЗш и ОВЕН.

За контроль технологических параметров (в виде численных значений и кривых трендов), регистрацию текущих значений технологических параметров в БД, представление диагностической информации о состоянии технических средств (датчиков, исполнительных механизмов) в режиме реального времени отвечает информационная подсистема (рис. 66).

Управляющая подсистема обеспечивает формирование управляющих воздействий по заданным законам регулирования на каждом такте при моделировании и реализации системы (рис. 66).

Четвертая глава посвящена исследованию работоспособности и эффективности предложенного подхода, методики, алгоритмов и разработанного ПО на основе синтеза и моделирования двух- и трехмерных автономных цифровых систем управления (АвЦСУ) процессом экстрактивной ректификации и четырехмерной автономно-инвариантной цифровой системы управления (АвИнЦСУ) синтеза аммиака.

Совпадение структур ПФ автономных компенсаторов указанных систем, полученных вручную и с использованием программного модуля, подтверждает работоспособность предложенных алгоритмического и ПО.

На основе непрерывного и дискретного описания каналов объекта получены в явном виде ПФ автономных компенсаторов. По непрерывным моделям найдены корни характеристических уравнений, а по дискретным

и по предложенной методике рассчитаны переходные процессы компенсаторов на единичное ступенчатое воздействие.

Совпадение полученных различными способами (существующим и предложенным) сходящихся переходных процессов (ПП) автономного

компенсатора двухмерной системы (рис. 7), характеризующегося наличием только отрицательных полюсов, подтверждают работоспособность предложенной методики.

Для трех-

та) ' б)

Рис. 7. Выход автономного компенсатора двумерной системы, полученный по общеизвестной методике (я) и предложенной (б)

мерной системы с моделями каналов объекта второго порядка ПП одного из автономных компенсаторов, полученный по разработанной методике является сходящимся с установившимся значением, равным коэффициенту усиления (рис. 86), а по общепринятой - расходящимся (рис. 8я). Поскольку найденные полюса компенсатора являются отрицательными (таблица

1), это свидетельствует о невозможности выполнения расчетов с требуемой степенью точности и ^ получению рас-

т, о „ а) б) ходящейся вы-

"ис- Выход автономного компенсатора трехмерной числительной

системы, полученный по общеизвестной методике (а) процедуры

и предложенной (б) 1

использовании

существующей методики (для систем размерности больше двух) в отличие от предложенной.

Таблица1. Полюса автономного компенсатора трехмерной системы

N

\ ¡/Г4

Г — — —

а)

Рис. 9. Динамические характеристики АвЦСУ процессом экстрактивной ректификации рассчитанные: а) по предложенной методике; б) по известной методике.

Результаты моделирования трехмерной АвЦСУ (рис. 9) показывают наличие расходящихся переходных процессов и отсутствие автономности при использовании общепринятой методики в отличие от разработанной, обеспечивающей сходимость переходных процессов и выполнение принципа автономности.

Моделирование четырехмерной АвЦСУ (рис. 10а) и АвИнЦСУ (рис. 10б) процессом синтеза аммиака при наличии внешних контролируемых возмущающих воздействий показало реализуемость инвариантного управления при использовании предложенной методики^

Рис. 10. Динамические характеристика АвИнЦСУ синтеза аммиака а) с инвариантными компенсаторами; б) без инвариантных компенсаторов.

Таким образом, приведенные результаты моделирования отдельных элементов и систем управления в целом подтвердили работоспособность и универсальность предложенных подхода, методики, алгоритмов и ПО при решении различных задач синтеза многосвязных цифровых систем управления высокой размерности и выявили возможность выполнения расчетов с требуемой степенью точности, обеспечивающих получение сходящихся вычислительных процедур.

Основные выводы и результаты

1. Предложен подход, заключающийся в представлении автономных и инвариантных компенсаторов, эквивалентных объектов в виде системы элементов, образующих последовательно-параллельное соединение,

что упрощает получение и использование математического описания при расчете и моделировании цифровых систем управления.

2. Разработаны методика, алгоритмы и ПО численного расчета выхода автономных компенсаторов перекрестных связей, инвариантных компенсаторов возмущений, эквивалентных объектов управления при оптимизации основных регуляторов, моделирования и реализации АвЦСУ и АвИнЦСУ произвольной размерности в целом.

3. Создано алгоритмическое и ПО формирования структуры ПФ и проверки условия реализуемости автономных компенсаторов, а также проверки реализуемости АвЦСУ и АвИнЦСУ.

4. Разработано универсальное математическое и алгоритмическое описание, ПО автоматизированного выполнения основных этапов синтеза математической модели многосвязного объекта управления в непрерывной и дискретной формах с возможностью перехода между ними.

5. Проведена серия вычислительных экспериментов, в ходе которой исследовались достоверность, работоспособность, эффективность использования и точностные характеристики разработанных подходов, методики, алгоритмов и ПО. Результаты автоматизированного расчета и машинного моделирования различных элементов управляющей части: автономных и инвариантных компенсаторов, эквивалентных объектов, а так же АвЦСУ и АвИнЦСУ в целом показали высокую точность расчетов, сходимость вычислительных процедур и выполнение принципов автономности и инвариантности.

6. Разработанные методика и алгоритмы существенно ускоряют адаптацию АвЦСУ и АвИнЦСУ поскольку не требуют получения в явном виде ПФ автономных и инвариантных компенсаторов, и эквивалентных объектов, а связаны с заменой в их математическом описании только моделей нестационарных каналов объекта.

7. Использование разработанных методов, алгоритмов и программных модулей при разработке АСУ технологическими процессами, проводившейся ООО «Нефтехимпроект КНГ» г. Воронеж.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Кудряшов, B.C. Метод расчета выходов автономных компенсаторов многосвязной цифровой системы управления произвольной размерности [Текст] / B.C. Кудряшов, C.B. Рязанцев, И.А. Козенко // Вестник ВГТА -2010.- №2 (44). -С.21-26.

2. Кудряшов, B.C. Способ автоматизированного синтеза структуры передаточных функций автономных компенсаторов многосвязной цифровой

системы управления [Текст] / B.C. Кудряшов, C.B. Рязанцев, A.B. Иванов, И.А. Козенко // Вестник ВГТА. -2011.- №2 (48). -С. 16-20.

3. Кудряшов, B.C. Метод моделирования и реализации многосвязных автономно-инвариантных цифровых систем управления [Текст] / B.C. Кудряшов, C.B. Рязанцев, И.А. Козенко // Вестник Тамбовского государственного технического университета. Том 18. -2012. -№2. -С.350-360.

Статьи и материалы конференций

4. Кудряшов, B.C. Разработка программного обеспечения информационной и управляющей подсистем АСУТП [Текст] / B.C. Кудряшов, C.B. Рязанцев, И.А. Козенко // Материалы III Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (приоритеты развития). - Воронеж: ВГТА, 2009. -T. 2.-С.398.

5. Кудряшов, B.C. Разработка программного обеспечения АСУТП на базе приборов фирмы ОВЕН [Текст] / B.C. Кудряшов, C.B. Рязанцев, И.А. Козенко // Материалы Международной научно-практической конференции Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности. - Воронеж: ВГТА, 2009. -С.128-131.

6. Кудряшов, B.C. Разработка программного обеспечения синтеза и реализации многосвязной цифровой системы управления процессом получения аммиака [Текст] / B.C. Кудряшов, C.B. Рязанцев, Иванов A.B., И.А. Козенко // Международная научно-практическая конференция «Проблемы и инновационные решения в химической технологии - Воронеж: ВГТА, 2010. -С.178-181.

7. Кудряшов, B.C. Метод синтеза автономных компенсаторов многосвязной цифровой системы управления [Текст] / B.C. Кудряшов, C.B. Рязанцев, A.B. Иванов, И.А. Козенко // XX11I международная научная конференция Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-23). Сборник трудов. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. -Т.10. -С.73-75.

8. Кудряшов, B.C. Метод расчета (моделирования) автономных компенсаторов и систем управления [Текст] / B.C. Кудряшов, C.B. Рязанцев, Е.А. Хромых, И.А. Козенко // Материалы IV Международной научной конференции Современные проблемы прикладной математики, теории управления и математического моделирования (ПМТУММ-2011). - Воронеж: ВГУ, 2011.-С. 164-167.

9. Кудряшов, B.C. Разработка алгоритма автоматизированного синтеза структуры автономных компенсаторов [Текст] / B.C. Кудряшов, C.B. Рязанцев, Е.А. Хромых, И.А. Козенко // Материалы XXIV Международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-24) сборник трудов. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011. - Т. 10. —С.34-36.

10. Кудряшов, B.C. Синтез структурны передаточных функций автономных компенсаторов перекрестных связей автономно-инвариантных цифровых систем управления. / B.C. Кудряшов, C.B. Рязанцев, И.А. Козен-ко, C.B. Сорокин // Свидетельство о регистрации программы «Центра информационных технологий и систем органов исполнительной власти» №50201151377 от 03.11.2011.

11. Кудряшов, B.C. Модуль расчета автономных компенсаторов и эквивалентных объектов управления. / B.C. Кудряшов, C.B. Рязанцев, И.А. Ко-зенко, C.B. Сорокин // Свидетельство о регистрации программы «Центра информационных технологий и систем органов исполнительной власти» №50201250364 от 26.03.2012.

12. Козенко, И.А. «Метод оценки вырожденности матриц» [Текст] / И.А. Козенко // Материалы I международной научно-практической интернет-конференции «Моделирование энергоинформационных процессов. -Воронеж: ВГУИТ, 2013. -С. 244.

Подписано в печать 02.10.13. Формат 60 <84 '/¡6. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 977.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательско-полнграфического центра Воронежского государственного университета. 394000, Воронеж, ул. Пушкинская, 3

ВОРОНЕЖСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

на правах рукописи

04201364374 ^

КОЗЕНКО Иван Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ, АЛГОРИТМОВ И КОМПЛЕКСА

ПРОГРАММ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СИНТЕЗА МНОГОСВЯЗНЫХ СИСТЕМ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ

Специальности: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

(в пищевой и химической промышленности) 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кудряшов B.C. Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Рязанцев C.B.

Воронеж 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................4

Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ, АЛГОРИТМОВ И СРЕД СИНТЕЗА И МОДЕЛИРОВАНИЯ МНОГОСВЯЗНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

МНОГОМЕРНЫМИ ОБЪЕКТАМИ 10

1.1 Анализ многосвязных технологических объектов управления............................10

1.2. Подходы к расчету многосвязных ЦСУ................................................................................15

1.3. Алгоритма синтеза автономно-инвариантной системы управления..........26

1.4. Этапы синтеза математической модели многомерного объекта..................31

1.5. Анализ существующих методик и сред синтеза многосвязных систем

управления..............................................................................................................................................................36

1.6 Выводы................................................................................................................................................................41

Глава 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СИНТЕЗА И МОДЕЛИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ЧАСТИ МНОГОСВЯЗНЫХ СИСТЕМ 44

2.1. Синтез структуры передаточных функций автономных компенсаторов .......................................................................................... 44

2.1.1. Разработка алгоритма символьного формирования структуры определителя матрицы................................................................... 45

2.1.2. Алгоритм синтеза структуры передаточных функций автономных компенсаторов в символьном виде................................................. 53

2.2. Разработка методики численного расчета выхода элементов управляющей части многосвязных цифровых систем управления.................. 54

2.2.1. Математическое описание методики численного расчета выхода элементов управляющей части...................................................... 55

2.2.2. Итерационный алгоритм методики численного расчета выхода элементов управляющей части...................................................... 66

2.3. Выводы........................................................................ 73

Глава 3. КОМПЛЕКС ПРОГРАММ РАСЧЕТА, МОДЕЛИРОВАНИЯ И

РЕАЛИЗАЦИИ АвИнЦСУ 75

3.1. Подсистема расчета многосвязной системы управления....................................76

3.1.1. Синтез математической модели многомерного ОУ............................................76

3.1.1.1. Математическое описание многомерного ОУ в дискретной и непрерывной форме, формулы пересчета........................................................................................77

3.1.1.2. Формирование базы данных экспериментальных значений..................83

3.1.1.3. Формирование структуры взаимосвязей и моделей каналов ОУ......................................................................................................................................................................................96

3.1.2. Синтез управляющей части системы регулирования........................................99

3.2. Подсистема моделирования и реализации многосвязных систем управления..............................................................................................................................................................101

3.2.1. Информационная подсистема................................................................................................101

3.2.2. Подсистема конфигурирования У СО..............................................................................103

3.2.3. Управляющая подсистема......................................................................................................104

3.3. Выводы............................................................................................................................................................105

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ, АЛГОРИТМОВ И КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ РАСЧЕТА И МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ЧАСТИ АвИнЦСУ НА ПРИМЕРЕ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА АММИАКА И РЕКТИФИКАЦИИ 107

4.1. Исследование алгоритма и ПО автоматизированного синтеза структуры передаточных функций автономных компенсаторов двух-, трех- и четырехмерных связных объектов................................................... 107

4.2. Исследование алгоритма проверки реализуемости АвИнЦСУ......... 112

4.3. Исследование работоспособности методики расчета выходов автономных компенсаторов................................................................ 119

4.4. Анализ расчета автономной цифровой системы управления и эквивалентных объектов................................................................... 122

4.5. Моделирование АвИнЦСУ и инвариантных компенсаторов возмущений на основе разработанной методики и алгоритмов............................................129

4.6. Выводы............................................................................................................................................................131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................................133

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ. Копии актов об использовании результатов работы..............152

Введение

Актуальность темы.

Во многих случаях объект управления представляет собой сложную динамическую систему. Это обусловлено наличием нескольких входов и выходов, взаимосвязью между отдельными координатами, а также высоким порядком дифференциальных уравнений, описывающих систему. Внутренняя структура многомерных объектов оказывает существенное влияние на проектирование и реализацию систем управления. Высокое качество управления такими объектами обеспечивается многосвязными системами, в частности автономно-инвариантными, учитывающими влияние перекрестных связей и внешних возмущений. Однако высокая размерность объектов значительно усложняет синтез систем управления данного класса, что обусловлено необходимостью выполнения значительного объема преобразований, связанных с параметрическим и структурным синтезом математической модели объекта, синтезом автономных компенсаторов перекрестных связей, инвариантных компенсаторов возмущений и эквивалентных объектов управления.

Значительное число работ (М.В. Мееров, В.Т. Морозовский, П.И. Чинаев, A.A. Воронов и др.) посвящено синтезу сложных систем, одним из ключевых и наиболее трудоемких этапов которого является расчет автономных и инвариантных компенсаторов, эквивалентных объектов управления.

В работах перечисленных авторов одним из основных теоретических результатов является полученное векторно-матричное выражение расчета передаточных функций (ПФ) автономных компенсаторов, как решение системы линейных уравнений. Для объектов размерности больше двух это приводит к необходимости выполнения значительного объема аналитических преобразований (обращение и перемножение матриц, перемножение полиномов, приведение подобных), к резкому увеличению числа и усложнению структуры ПФ. Это затрудняет или делает

невозможным расчет вручную как автономных компенсаторов и всей системы в целом, так и разработку программного обеспечения, позволяющего автоматизировать процесс синтеза управляющей части системы.

Кроме того, несмотря на высокий уровень развития теоретических работ, современных технических и программных средств, не существует единого специализированного программного обеспечения, позволяющего автоматизировать большинство этапов синтеза (обеспечивая непрерывность расчета от начала и до конца в рамках одного прикладного программного обеспечения), моделирования и реализации многосвязных цифровых систем управления.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка методики, алгоритмов и программных средств для обеспечения автоматизированного синтеза, моделирования и реализации управляющей части автономно-инвариантной цифровой системы регулирования высокой размерности.

Для достижения поставленной цели был сформулирован и решен ряд задач исследования:

1) разработка подхода к расчету выходов элементов автономно-инвариантных цифровых систем управления (автономных и инвариантных компенсаторов, эквивалентных объектов), включающего способ автоматизированного формирования структуры ПФ и методику численного расчета значений выходов;

2) разработка алгоритма моделирования и реализации элементов управляющей части и автономно-инвариантных цифровых систем в целом на основе предложенной методики;

3) разработка прикладного программного обеспечения синтеза, моделирования и реализации многосвязных цифровых систем управления на основе предложенных подхода, методики и алгоритмов;

4) исследование работоспособности, достоверности и точности вычислений предложенной методики, алгоритмического и программного обеспечения.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы применялись системный анализ, теория автоматического управления аналоговых и цифровых систем, методы математического моделирования, структурного синтеза и идентификации. Общей методологической основой является системный подход. Научная новизна.

1. Предложенный на основе системного анализа подход к расчету выходов элементов управляющей части многосвязных цифровых систем управления, заключающийся в представлении их в виде последовательно-параллельного соединения элементарных звеньев, отличающийся отсутствием необходимости получения в явном виде ПФ компенсаторов и выполнения связанных с этим аналитических преобразований, обеспечивающий высокую точность и быстродействие расчета управляющей части системы.

2.Алгоритм формирования структуры ПФ автономных и инвариантных компенсаторов, обеспечивающий их автоматизированный синтез для систем произвольной размерности.

3.Методика расчета выхода автономного компенсатора, исключающая этап получения ПФ в явном виде и обеспечивающая высокую точность численных результатов.

4.Алгоритмы автоматизированного расчета и моделирования автономных и инвариантных компенсаторов, эквивалентных объектов управления, основных регуляторов, многосвязной цифровой системы управления в целом.

5.Математическое и алгоритмическое обеспечение автоматизированного выполнения всех этапов синтеза модели многомерного объекта управления.

6. Комплекс проблемно-ориентированного прикладного программного обеспечения расчета, моделирования и реализации автономно-инвариантных цифровых систем управления высокой размерности.

Практическая значимость. Разработанная методика, а также алгоритмы и созданный на их основе пакет прикладных программ автоматизированного синтеза и реализации автономно-инвариантных цифровых систем управления многомерными объектами внедрен на ООО «Нефтехимпроект КНГ». Использование результатов работы позволило существенно повысить точность расчетов и эффективность синтеза цифровых систем управления, снизить временные затраты и улучшить качество управления. При этом разработанное программное обеспечение позволяет:

- осуществить синтез математической модели многомерного объекта;

- проводить синтез автономных и инвариантных компенсаторов для систем произвольной размерности и произвольных порядков моделей каналов объекта управления;

- проводить оптимизацию основных регуляторов на основании расчета эквивалентных объектов управления;

- проводить расчет (моделирование) управляющей части автономно-инвариантных цифровых систем управления, обеспечивающих более высокое качество управления.

Разработанные методика, алгоритмы и программное обеспечение внедрены в учебный процесс кафедры информационных и управляющих систем Воронежского государственного университета инженерных технологий.

Алгоритмы, методику и комплексы программ можно использовать проектным организациям на этапах синтеза и реализации автономно-инвариантных цифровых многосвязных систем управления технологическими процессами пищевой и химической промышленности.

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертационной работы доложены на международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-23, 24, 25, 26», в 2010-2013 годах (г. Саратов), «Инновационные технологии и оборудование

для пищевой промышленности» в 2009 (г. Воронеж), «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности» в 2009 году (г. Воронеж), «Проблемы и инновационные решения в химической технологии» в 2010 году (г. Воронеж), «Современные проблемы прикладной математики, теории управления и математического моделирования (ПМТУММ-2011)» в 2011 году (г. Воронеж), на всероссийской научной конференция студентов, аспирантов и молодых ученых в 2009 году (г. Воронеж), I международной научно-практической интернет-конференции «Моделирование энергоинформационных процессов» в 2012 году, а также на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и научных работников ВГУИТ, в 2009-2013 годах.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 33 печатных работы, в том числе 11 статей (из них 3 статьи в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК РФ при защите кандидатских и докторских диссертаций) и 6 свидетельств о регистрации программ.

Содержание диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка и приложения. Материал изложен на 151 страницах, содержит 71 рисунок и 21 таблицу. Библиографический список включает 154 наименования.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, перечисляются цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведен анализ работ по синтезу многомерных автономно-инвариантных цифровых систем управления объектами со связанными параметрами и возмущающими воздействиями. На его базе обоснована необходимость разработки математического, алгоритмического и соответствующего проблемно-ориентированного программного обеспечения (ПО) для автоматизации процессов синтеза автономно-инвариантных

цифровых систем. В результате обзора сформулированы цели и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке подхода, методики и алгоритмов автоматизированного синтеза и расчета значений выходов автономных и инвариантных компенсаторов, эквивалентных объектов без получения их в явном виде.

В третьей главе на основе предложенного математического и алгоритмического обеспечения разработан комплекс программ автоматизированного выполнения основных и промежуточных этапов расчета, моделирования и реализации многосвязных цифровых систем управлении (МЦСУ), включающий следующие подсистемы: расчета многосвязных систем, информационную, управляющую, конфигурирования устройств связи с объектом (УСО).

Четвертая глава посвящена исследованию работоспособности и эффективности предложенного подхода, методики, алгоритмов и разработанного ПО на основе синтеза и моделирования двух- и трехмерных автономных цифровых систем управления (АвЦСУ) процессом экстрактивной ректификации и четырехмерной автономно-инвариантной цифровой системы управления (АвИнЦСУ) синтеза аммиака.

В приложениях приведены копии актов об апробации результатов работы ООО «Нефтехимпроект КНГ» (г. Воронеж) и о внедрении в учебный процесс в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий».

Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ, АЛГОРИТМОВ И СРЕД СИНТЕЗА И МОДЕЛИРОВАНИЯ МНОГОСВЯЗНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОМЕРНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

1.1 Анализ многосвязных технологических объектов управления

В большинстве случаев объект управления является сложной динамической системой. Эта сложность определяется наличием зависимостей высокого порядка и наличием отдельных взаимосвязей между координатами. Проектирование высокоэффективных систем управления сложными динамическими объектами требует учета многих факторов, таких как усиление и усложнение связей между отдельными звеньями и объектами (многосвязность) [32, 43,105,11], необходимость учета большого числа воздействий (многомерность) [32,53,141], влияющих на объекты управления, увеличение числа управляемых параметров, многоконтурности и т.д., влияние которых ранее не учитывалось (или учитывалось не в полной мере).

Примерами многомерных объектов выступают: процессы сушки различных веществ, процесс расстойки теста [21, 136] процессы добычи [99] и переработки нефти (крекинг), регулирование и управление электроприводами в станах непрерывной прокатки холодного и горячего металла, управление газотурбинными установками, управление тепловыми процессами [141], управление летательными аппаратами [32], процессы ректификации [1,54,36,37,43], управление сложными энергосистемами с несколькими генерирующими эклектическими станциями, связанными сетью и нагрузкой [99], производство полимерных материалов [121].

Примером многосвязного объекта выступает процесс экстрактивной ректификации бутилен-дивинильной фракции, предназначенный для выделения дивинила-сырца из бутилен-дивинильной ф