автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Синтез алгоритмов двухканального логического управления многосвязным техническим объектом методом декомпозиции

На правах рукописи

Ссх^Г

САБИТОВ Искандер Ильдаровнч

СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ ДВУХКАНАЛЬНОГО ЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ МНОГОСВЯЗНЫМ ТЕХНИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ МЕТОДОМ ДЕКОМПОЗИЦИИ (НА ПРИМЕРЕ АВИАЦИОННОГО ГАЗОТУРБИННОГО

ДВИГАТЕЛЯ)

Специальность: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 ОКТ 2015

Уфа-2015

005563324

005563324

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре технической кибернетики

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

засл. деят. науки и техн. д-р техн. наук, проф. ИЛЬЯСОВ Барый Галеевич

д-р техн. наук, проф.

КРАСИЛЬЩИКОВ Михаил Наумович

ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», зав. кафедрой информационно-управляющих комплексов

канд. техн. наук

ДЕНИСЕНКО Дмитрий Анатольевич ООО «Акустик Групп Урал», директор

Ведущая организация: АО «Уфимское научно-производственное

предприятие «Молния», г. Уфа

Защита диссертации состоится 27 ноября 2015 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.288.03 на базе ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» и на сайте www.ugatu.su

Автореферат разослан 2.2 С/ЛТЛ^рЛ 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф.

в/Ъг

В. В. Миронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Развитие науки и модернизация технических средств приводит к появлению сложных технических объектов (СТО) разнообразной физической природы, включающих в себя некоторое множество сепаратных подсистем, взаимо-связашшх и взаимодействующих через естественные перекрестные связи внутри объекта. Рассматриваемый класс объектов управления является нелинейным, многосвязным и многофункциональным - на различных режимах функционирования динамика переходных процессов может существенно варьироваться за счет изменения свойств как сепаратных подсистем, так и перекрестных связей между ними. Поэтому в процессе проектирования многосвязной системы автоматического управления (МСАУ) необходимо определять достижимость цели функционирования не только каждой сепаратной подсистемой по отдельпости, но и при их взаимодействии. Выделенные особенности характерны и для авиационных газотурбинных двигателей. Существующие подходы к проектированию МСАУ ГТД не позволяют в полной мере обеспечивать требуемое качество функционирования на всех режимах работы и изменениях внешней среды, так как заданный «жесткий» алгоритм не позволяет учитывать в полной мере динамику поведения объекта в заданном множестве условий работы. Данная проблема приводит к необходимости формирования такой системы управления, которая позволяла бы «гибко» изменять свою структуру и параметры с учетом текущего характера поведения МСАУ СТО в целом ради достижения глобальной цели функционирования. Среди перспективных МСАУ СТО хорошо зарекомендовали себя системы с логическими регуляторами, изменяющими свою структуру и параметры с помощью переключений, формирующихся на основании некоторого логического алгоритма. Однако при разработке существующих логических алгоритмов управления не рассматривались вопросы их применения в составе сепаратных подсистем МСАУ для управления многосвязным и многофункциональным сложным техническим объектом. В связи с этим задача синтеза логических алгоритмов, способных выполнять согласованное и связное управление множеством сепаратных подсистем в составе МСАУ СТО с учетом влияния перекрестных связей между ними, является актуальной теоретической и прикладной задачей.

Степень разработанности темы

Проблемам анализа и синтеза МСАУ сложными техническими и технологическими объектами посвящены работы Б. Н. Петрова, А. А. Красовского, В. Т. Морозовского, М. В. Меерова, Ф. А. Шаймарданова, Б. Г. Ильясова, В. И. Васильева, Ю. М. Гусева, Н. К. Зайнашева, В. Г. Крымского, Ю. С. Ка-бальнова, В. Н. Ефанова и других. Среди зарубежных исследователей можно выделить работы Я. 3. Кауапа^Ь, М. Б. МеБаппас, Н. Н. ЛозепЬгоск, Е. V. ВоЬп и других.

Вопросам разработки систем с логическими алгоритмами управления посвящены работы Б. Н. Петрова, С. В. Емельянова, К. Д. Жука, М. В. Старико-

вой, Е. П. Попова, Б. Г. Ильясова, Е. И. Хлыпало, В. И. Петунина, А. И. Фрида, P. X. Шакировой, Е. К. Шигина, А. А. Кампе-Немма и других. Среди зарубежных исследователей можно выделить работы R, С. Gaylord, W. N. Keller и других.

Несмотря на значительный объем проведенных исследований в рассматриваемой области, вопросы применения логических алгоритмов управления сложными многомерными и многосвязными объектами рассмотрены в недостаточной степени и не существует единой концепции проектирования такого рода МСАУ СТО с учетом обеспечения требуемого качества функционирования на различных режимах работы.

Объектом исследования являются многосвязные системы автоматического управления сложными техническими объектами, функционирующими в условиях параметрической неопределенности.

Предметом исследования являются алгоритмы логического управления в составе МСАУ СТО и оценка их эффективности на примере авиационного ГГД.

Целью работы является повышение качества многосвязного управления сложным техническим объектом на основе логических алгоритмов и оценка эффективности их применения в составе МСАУ авиационным ГТД.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели актуальным является решение следующих задач:

1. Разработать концепцию проектирования и структуру МСАУ СТО с двух-канальным лошческим регулятором.

2. Провести синтез двойного логического алгоритма управления сепаратной подсистемой в составе МСАУ СТО.

3. Провести анализ эффективности МСАУ СТО с двухканальным логическим алгоритмом управления при параметрических изменениях, наличии чистого запаздывания и действии различных возмущений на основе имитационного моделирования.

4. Разработать инженерную методику и программное обеспечение для проектирования МСАУ с двойным логическим алгоритмом управления и провести оценку их эффективности на примере МСАУ авиационным ГТД функционирующим в условиях параметрической и функциональной неопределённости, способом имитационного моделирования.

Научная новизна

1. Научная новизна предложенной концепции проектирования и структуры МСАУ СТО с двухканальным логическим регулятором заключается в формировании сигнала управления ",*(/) на основе интеграции основного сигнала «,{/) управления собственной сепаратной подсистемой и дополнительного координирующего сигнала ut{t), учитывающего влияния перекрестных связей.

2. Научная новизна двойного логического алгоритма заключается в коррекции динамики движения сепаратных подсистем совместно с формированием до-

полнительных искусственных перекрестных связей для согласования движения всех подсистем МСАУ СТО.

3. Научная новизна результатов оценки эффективности МСАУ СТО с двойным логическим алгоритмом управления заключается в подтверждении эффективности использования предложенного логического алгоритма управления в составе МСАУ СТО при параметрических изменениях, наличии чистого запаздывания и действии различных возмущений методом имитационного моделирования.

Теоретическая и практическая значимость

Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в разработке двойного логического алгоритма управления сложным многосвязным объектом, учитывающего не только динамику движения собственных сепаратных подсистем, но и влияния остальных сепаратных подсистем через перекрестные связи в объекте управления.

Практическая значимость инженерной методики заключается в обоснованной реализации предложешюй концепции проектирования МСАУ ГТД с логическими регуляторами, обеспечивающими заданные требования к качеству управления. Практическая значимость программного обеспечения заключается в возможности автоматизировать процесс проектирования МСАУ ГТД с двойным логическим алгоритмом управления. Практическая значимость полученных результатов имитационного моделирования МСАУ авиационным газотурбинным двигателем заключается в подтверждении эффективности предложенного двойного логического алгоритма для управления СТО, функционирующим в условиях параметрической и функциональной неопределенности.

Методы исследования

Для решения поставленных в диссертационной работе задач используются методы теории автоматического управления, теории нелинейных систем, теории адаптивного и логического управления, а также методы системного анализа. Разработка программного обеспечения производилась в пакете прикладных программ МАТЬАВ.

Положения, выносимые на защиту

1. Концепция проектирования и структура МСАУ СТО с двуканальным логическим регулятором, формирующим логический сигнал управления сепаратными подсистемами с учетом структурных и функциональных особенностей МСАУ СТО.

2. Двойной логический алгоритм управления, формирующий сигнал логической корректирующей ошибки по результатам анализа текущего состояния и динамики движения собственной сепаратной подсистемы с учетом влияния остальных сепаратных подсистем через перекрестные связи.

3. Результаты анализа эффективности МСАУ СТО с двойным логическим алгоритмом управления при параметрических изменениях, наличии чистого запаздывания и действии различных возмущений на основе имитационного моделироваши.

4. Инженерная методика и программное обеспечение для проектирования МСАУ СТО с двойным логическим алгоритмом управления и результаты оценки эффективности двойного логического алгоритма управления в составе МСАУ авиационным газотурбинным двигателем, функционирующим на различных высотах и скоростях полета, при различных программах управления.

Достоверность результатов

Обоснованность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается корректным использованием положений теории автоматического управления, теории нелинейных систем и теории системного анализа. Диссертационное исследование основывается на применении апробированных методов и научных положений логического управления, корректном использовании математического аппарата и согласовании полученных результатов с известными теоретическими положениями. Достоверность теоретических положений и выводов подтверждаются результатами имитационного моделирования МСАУ ГТД с синтезированным двойным логическим алгоритмом управления и актами внедрения.

Апробация результатов

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: ХШ, XIV Международная конференция «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самара, 2011,2012, 2014, 2015), Международная молодежная конференция «Интеллектуальные технологии обработки информации и управления» (Уфа, 2012), Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2012, 2013, 2014), П Международная научная конференция «Информационные технологии и системы» (Уфа, 2013), X Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Управления большими системами» (Уфа, 2013), VI Всероссийская мультиконференция по проблемам управления (п. Дивноморское, 2013, Санкт-Петербург, 2014), П Международная конференция «Информационные технологии интеллектуальной поддержки принятия решений» (Уфа, 2014), XII Всероссийское совещание по проблемам управления (Москва, 2014), XXXIV Всероссийская конференция, посвященная 90-летию со дня рождения академика В. П. Макеева (Миасс, 2014).

Основные результаты диссертационной работы отражены в 25 публикациях, в том числе в 21 статье, из них 3 - в изданиях, входящих в перечень журналов ВАК, 18 трудах конференций, получено 4 свидетельства о регистрации программы.

За работу по теме диссертационного исследования автор отмечен дипломом Института проблем управления РАН им. В. А. Трапезникова в рамках Всероссийского конкурса научных работ молодых ученых по теории управления , и её приложениям в 2013 году.

Связь темы исследования с научными программами

Диссертационная работа выполнялась в рамках следующих грантов РФФИ: № 14-08-01019 А «Автоматизация проектирования интеллектуальных систем управления автономными подвижными объектами с учетом компоновки их исполнительных подсистем на основе эволюционного подхода с использова-

нием динамических нейронных сетей и виртуальной среды моделирования» (2014—2016 гг.), № 14-08-97056 р_поволжье_а «Анализ и синтез нелинейных и интеллектуальных алгоритмов управления сложными техническими и технологическими объектами с использованием частотных методов» (2014-2016 гг.), № 15-08-01146 А «Разработка и исследование нелинейных многосвязных систем управления сложными динамическими объектами на основе логических законов управления в условиях неопределенности внешней среды и состояния системы» (2015-2017 гг.).

Объем и структура работы

Диссертационная работа включает введе1ше, четыре главы основного материала, заключение и библиографический список. Работа без библиографического списка изложена на 155 страницах машинописного текста. Библиографический список включает 130 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обосновывается актуальность темы исследования, отмечается новизна работы, теоретическая и практическая значимость, положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ проблемы проектирования МСАУ СТО с логическими алгоритмами управления. Современные сложные технические объекты представляют собой некоторое множество сепаратных подсистем, взаимосвязанных и взаимодействующих через естественные перекрестные связи внутри объекта. Характерными особенностями рассматриваемого класса объектов является наличие нелинейностей, многосвязность и многофункциональность. Вследствие чего динамику протекания переходных процессов трудно предсказать из-за существенных параметрических, структурных и функциональных изменений на различных режимах работы. Все это в полной мере относится и к авиационным газотурбинным двигателям. Существующие подходы к проектированию МСАУ ГТД не позволяют в полной мере обеспечивать требуемое качество функционирования на всех режимах работы и изменениях внешней среды, так как заданный «жесткий» алгоритм не позволяет учитывать в полной мере динамику поведения объекта в заданном множестве условий работы. Данная проблема приводит к необходимости формирования такой системы управлешы, которая позволяла бы «гибко» изменять свою структуру и параметры с учетом не только режимов работы особенности авиационного ГТД, но и текущего характера поведения всей МСАУ в целом ради достижения глобальной цели функционирования. Среди перспективных систем автоматического управления хорошо зарекомендовали себя системы с логическими регуляторами, изменяющими свою структуру и параметры при определенных соотношениях между входными координатами, которые определяются логическим алгоритмом. Однако при разработке существующих логических алгоритмов управления не рассматривались вопросы их применения в составе МСАУ СТО. В связи с этим разработка нового подхода к многосвязному логическому управлению, учитывающему не только характер движения сепаратных подсистем, но и влияние перекрестных связей, и обеспечивающему достижение по-

ставленной цели функционирования с заданными требованиями по качеству управления, является актуальной теоретической и прикладной задачей.

Во второй главе рассматривается задача синтеза двухканального логического регулятора. Исходя из системного подхода, основанного на декомпозиции многосвязного объекта на индивидуальные характеристики сепаратных подсистем и многомерные элементы связи между ними, разработана концепция проектирования МСАУ СТО с двухканальным логическим регулятором.

Предложенная концепция заключается в интеграции линейного регулятора, реализующего линейные алгоритмы управления, и двухканального логического корректора, проводящего анализ как характера движения сепаратных подсистем, так и влияния на их динамику перекрестных связей, с целью улучшения качества управления многосвязным объектом на нерасчетных режимах.

В соответствии с предложенной концепцией разработана структурная схема МСАУ СТО с логическим регулятором, которая представлена на рисунке 1, где G(t), U*(t), Y(t) - вектор задающей, управляющей, управляемой координаты, £(f) — вектор собственной ошибки управления.

Двухканальный логический

регулятор —-

m

Многосвюный объест

У(/)

Рисунок 1 - Структурная схема МСАУ СТО с двухканальным логическим регулятором

На рисунке 2 представлена структурная схема логического регулятора в составе 1-й сепаратной подсистемы.

Рисунок 2 - Структура схема логического регулятора в составе 1-й сепаратной подсистемы

Концепция предложенного логического регулятора заключается в интеграции основного логического алгоритма управления сепаратной подсистемой, изменяющего сигнал ошибки управления е,{/) с целью коррекции динамики движения собственной сепаратной подсистемы, и дополнительного логического алгоритма, формирующего искусственные перекрестные связи и,(0 между сепаратными подсистемами с целью координации и согласования движения МСАУ СТО в целом.

Решена задача сшггеза основного корректирующего логического алгоритма управления автономной сепаратной подсистемой с учетом динамики её движения, вырабатывающего логическую ошибку е,*(?) на основе анализа текущей ошибки управления £,{/) собственной г-й сепаратной подсистемы и динамики её изменения е,'(/):

■в,(0 при

Ф+ТА') "ри (Е|(/У,(0^о)А(е,(ФЛ(')<о),

+ при (с,.(ф;(г)>0).

где Тл и К л - параметры логического алгоритма управления, е/ГТР(Г) - прогнозируемое значение ошибки управления г ¿(г): в/^О) = 7де/( О

На рисунке 3 представлен график формирования логической корректирующей ошибки Е,*(?) при собственной ошибке управления 8;(*) = ят({) при 7л=Хл=1. Когда система удаляется от положения равновесия, что соответствует возрастанию модуля ошибки управления [('о - ¿0, (Ь - £»)], то логический алгоритм принимает решение о торможении движения системы с учетом текущего состояния ошибки управления и динамики её

| -г« ! -«/(0 | — */')г/С>0

-.^ойи.^/)» - -[(М1)и и ЕйеРсоо -

1з

Время, сек. Рисунок 3 - График формирования £/*(/)

изменения Гле/(0- Однако при приближении системы к положению равновесия, что соответствует уменьшению модуля ошибки управления [(/( - /3), (Г4 - Гб)], необходимо дополнительно учитывать динамику её изменения. Когда система находится еще вдалеке от положения равновесия [(?] - ¿2), (и — то логический алгоритм не вырабатывает корректирующего воздействия. Но когда система находится уже вблизи от положения равновесия [(/2 — /з). (¿5 - 4)], то логический алгоритм управления принимает решение замедлять движение системы с учетом её динамики 7ле/(0-

Также в контексте решения данной задачи проведен анализ влияния параметров 7д и Кл на качество логического управления автономной сепаратной подсистемой. При квазиоптимальном подборе значений параметров Тц и Кц можно свести переходный процесс в колебательной системе к апериодическому виду за счет эффективного торможения динамики движения системы.

Решена задача синтеза дополнительного координирующего логического алгоритма управления сепаратной подсистемой с учетом влияния перекрестных связей, формирующего координирующую связь й,{() на основе логического сигнала уЩ), полученного исходя из сравнительного анализа динамики движения у1(г) собственной г-й сепаратной подсистемы с динамикой движения о стальных у-х сепаратных подсистем:

О 0)л(у(ОГ(г)<0

Й'(0 = при (у/(/)/(/)> 0) л (у,(0 >0.

"/>" (к/ (')/ (')<«)>

где ал - параметр логического алгоритма управления, У(г) - динамика лидера среди>х сепаратных подсистем [у'(0 = шах О/(0).У = 1, •■ ■>«,У ^ г], у,ОТ(0 - отклонение динамики движения собственной г'-й сепаратной подсистемы от динамики движения «лидера» [у,0Т(/) = у!(?)(у!(*)-№))]■

На рисунке 4 представлен

е-1

-И'« -ум

—^'(«УМ»^,'(/)«> -^'МП'^о

Рисунок 4 - График формирования у!(/)

график формирования >,(/) при >>,'(/) = 5от(г) и У(г) = Значение параметра логического алгоритма управления задано следующим ал = 1. Когда выходные координаты /-й и _/-й сепаратной подсистемы изменяются в противоположных направлениях [(/г — Ь), (/5 — 4)], то сепаратные подсистемы противодействуют друг другу и предложенный логический алгоритм формирует положительную связь по динами-

ке движения/-й сепаратной подсистемы +адуДг)- Однако при изменении выходных координат г-й и у'-й сепаратной подсистемы в одном направлении. [(/0 -(Уз - /5)] необходимо провести дополнительный сравнительный анализ динамики движения сепаратных подсистем. Если ¡-я сепаратная подсистема опережает_/'-ю сепаратную подсистему [{¿1 — ¿г), {Ц - ?5)]> то предложенный логический алгоритм формирует отрицательную связь по динамике у-й сепаратной подсистемы -адуу^). В противном случае [(¿0 —1\), (/3 - логическая связь не формируется.

В процессе решения данной задачи проведен анализ влияния параметра ад на качество логического управления многосвязным объектом. При квазиоптимальном подборе значения параметра ад можно эффективно компенсировать влияния перекрестных связей на динамику переходного процесса.

Во второй главе решена задача сравнительного анализа качества многосвязного управления существующими логическими алгоритмами с предложенным двойным логическим алгоритмом на примере трехсвязной САУ с помощью имитационного моделирования. По результатам анализа подтвердилось, что существующие логические алгоритмы не позволяют в полной мере учитывать структурно-функциональные особенности многосвязного объекта управления и не обеспечивают требуемого качества управления в рассмотренных примерах. Также было установлено, что предложенный двойной логический алгоритм, за счет формирования логического сигнала управления с учетом влияния перекрестных связей, значительно улучшает качество функционирования как отдельных сепаратных подсистем, так и всей МСАУ СДО в целом.

В третьей главе решена задача оценки эффективности предложенного двойного логического алгоритма управления в составе МСАУ СТО при параметрических изменениях, наличии чистого запаздывания и действии различных

возмущений на основе имитационного моделирования. В контексте анализа влияния параметрических изменений многосвязного объекта управления по результатам имитационного моделирования установлено, что предложешгый двойной логический алгоритм управления обеспечивает приемлемое качество управления исследуемой МСАУ при независимых параметрических изменениях сепаратных подсистем (изменение либо постоянной времени 7Ьу, либо коэффициента демпфирования ^оу, либо коэффициента передачи .Ким) и перекрестных связей (изменение системных коэффициентов связи (Н2, Н3), описывающих характер и силу перекрестных связей между группой подсистем). Также установлено, что предложенный логический регулятор обеспечивает сохранение устойчивости всей МСАУ СТО при комплексном изменении параметров многосвязного объекта управления в контексте рассмотренного примера. На рисунке 5 представлены графики переходных процессов Г(г) в исследуемой МСАУ СТО при различных параметрических изменениях без логических регуляторов, а на рисунке 6 — с логическими регуляторами.

I.

Рисунок 5 - Графики переходных процессов Y(t) в МСАУ СТО без логических регуляторов: а - возрастании 7оу в 2 раза, б - изменении характера системного коэффициента (-Hj), в - при комплексных изменениях параметров МСАУ СДО

и

1

^0.5

Рисунок 6 - Графики переходных процессов F(i) в МСАУ СТО с логическими регуляторами: а - возрастании То у в 2 раза, б - изменении характера системного коэффициента (-Яэ), в - при комплексных изменениях параметров МСАУ СДО

В контексте анализа влияния чистого запаздывания по результатам ими-тациошюго моделирования установлено, что предложенный логический регулятор обеспечивает приемлемое качество управления при наличии чистого запаздывания как в контуре управления, так и в многосвязном объекте. На рисунке 7 представлены графики переходных процессов Y(t) в исследуемой МСАУ СТО при наличии чистого запаздывания без логических регуляторов, а на рисунке 8 -с логическими регуляторами.

—Первая подсистема —Вторая подсистема —Трет*« подспстема

Время, сек.

а

.1гГ

-Первая подсистема

-Вторая подсистема

-Треть* подсистема

б

а б

Рисунок 7 - Графики переходных процессов Г(Г) в исследуемой МСАУ без логических регуляторов при наличии чистого запаздывания е~%': а- в прямом контуре управления (т = 0,7 сек.), б- в обратных связях (т= 0,5 сек.)

1

! 1 I

/ 1 -Первм подсистем* -Вторая подсистема -Третм подсистем!

Время, cat. Время, ссх.

а б

Рисунок 8 - Графики переходных процессов Y(t) в исследуемой МСАУ с логическими регуляторами при наличии чистого запаздывания е"™: а- в прямом контуре управления (т = 0,7 сек.), б - в обратных связях (т= 0,5 сек.)

В контексте анализа влияния возмущений по результатам имитационного моделирования установлено, что предложенный логический регулятор обеспечивает допустимое качество управления при действии импульсного и ступенчатого возмущения как на отдельную сепаратную подсистему, так и на многосвязный объект управления в целом, а также действии случайных возмущений. На рисунке 9 представлены графики переходных процессов F(i) в исследуемой МСАУ СТО при действии импульсного возмущения на каждую сепаратную подсистему.

5---------- -Первая подсистема i —Вторая подсистема i —Треть* подсистема

/ Л / \

J-

10 15

Время, сск. Время, сгк.

а б

Рисунок 9 - Графики переходных процессов Г(г) в исследуемой МСАУ при действии . импульсного возмущения на каждую сепаратную подсистему: а - без логических регуляторов, б— с логическими регуляторами

Таким образом, по результатам моделирований можно сделать вывод о том, что предложенный логический регулятор обеспечивает приемлемое качество управления при параметрических изменениях, наличии чистого запаздывания и действии возмущений.

В четвертой главе решена задача оценки эффективности предложенного двойного логического алгоритма управления в составе МСАУ авиационным газотурбинным двигателем (ГТД) по переходным характеристикам с помощью имитационного моделирования.

В контексте решения выделенной задачи проведен анализ эффективности двойного логического алгоритма управления в составе МСАУ одновальным ГТД, функционирующим в широком диапазоне высот и скоростей полета летательного аппарата. Процесс функционирования исследуемой МСАУ описывается на основе следующих параметров ГТД: частота вращения ротора турбокомпрессора (и), степень понижения давления на турбине (7сг) и температура газов перед турбиной (Г3). Математическая модель одновалыюго ГТД как объекта управления описывается следующей системой линеаризованных стационарных дифференциальных уравнений:

(тпР+\)х„ =кпХ0г +к12ХГс -к,3ХС„,

23 V. 23 г

(Тдр + \)х„ =*31(т31/7 + 1)Хг,г -кг1(хпр + [)Хес +къ(^ър + \)ХСп, где — расход топлива в основной камере сгорания, ^с — площадь сечения реактивного сопла, Си-® — расход топлива в форсажной камере сгорания, Х1 - относительное отклонение рассматриваемой ¡-й физической координаты от значения на исследуемом режиме, р — оператор дифференцирования, 7д — постоянная времени двигателя, ц — постоянная времени форсирования подсистем двигателя, ку — коэффициент усиления в прямых и перекрестных связях.

Параметры логических регуляторов в составе сепаратных подсистемах МСАУ ГТД в условиях стенда рассчитаны из условия обеспечения следующих технических требования к качеству управления [(астатизм V = 1), (время регулирования ГР < 5 сек.), (перерегулирование о = 0 %)] и к запасам устойчивости [(по амплитуде Огреб > 2), (по фазе <(>греб > 40°)]. На рисунке 10 представлены графики переходных процессов Щ) в исследуемой МСАУ одновальным ГТД при различных условиях полета летательного аппарата без логических регуляторов, а на рисунке 11 — с логическими регуляторами. По результатам проведенного имитационного моделирования установлено, что при варьировании постоянной времени Тл авиационного ГТД до 30% - 50% от расчетного значения предложенный логический алгоритм обеспечивает приемлемое качество управления. При более значительных изменениях логические регуляторы сохраняют устойчивость МСАУ ГТД, однако необходима корректировка параметров логического регулятора для обеспечения требуемого качества.

а б в

Рисунок 10 - Графики переходных процессов Цг) в исследуемой МСАУ одновальным ГТД без логических регуляторов при различных условиях полета: а-Н= 7 км, Г=\ Мах,б-Я=9км, К=2 Мах, в-#= 22 км, К= 2,5 Мах

Время, сек. Время, сек. Время, сек.

а б в

Рисунок 11 - Графики переходных процессов У(Г) в исследуемой МСАУ одновальным ГТД без логических регуляторов при различных условиях полета: а-#= 7 км, К= 1 Мах, б-Н=9 км, У= 2 Мах, в-Н= 22 км, 2,5 Мах

Также проведен анализ эффективности двойного логического алгоритма управления в составе МСАУ двухвальным ГТД при различных программах управления. Процесс функционирования исследуемой МСАУ описывается на основе следующих функциональных параметров ГТД: частота вращения турбокомпрессора низкого давления (и]), степень понижения давления на турбине (жт) и температура газов за турбиной (Г4). Математическая модель двухвалыюш ГТД как объекта управления описывается следующей системой линеаризованных стационарных дифференциальных уравнений:

' = Ц&21 Р2+*иР + 1кСг + кп{Ь1гр1 + тпр +-ка{ь23р1+123Р + ^Сг,.

аХт. =КЬхРг + хпР + ЧХаг ~ЬпЬгР* + *пР + 1)*гс +

а = 1]1р2+Тар + \

где бт — расход топлива в основной камере сгорания, /'с — площадь сечения реактивного сопла, Схуф — расход топлива в форсажной камере сгорания, Х1 - относительное отклонение рассматриваемой 1-й физической координаты от значения на исследуемом режиме, р — оператор дифференцирования, Го и Т\ — постоянные времени двигателя, ту и Ьу - постоянные времени форсирования подсистем двигателя, ку - коэффициент усиления в прямых и перекрестных связях.

Параметры логических регуляторов в составе сепаратных подсистемах МСАУ ГТД в условиях стенда рассчитаны из условия обеспечения следующих технических требования к качеству управления: [(астатизм v = 1), (время регулирования ГР < 5 сек.), (перерегулирование а = 0 %)] при следующей заданной программе управления: -»• щ, Рс -> %ъ бт® Т4. На рисунке 12 представлены графики переходных процессов У(г) в исследуемой МСАУ двухвальным ГТД при различных программах управления без логических регуляторов, а на рисунке 13 - с логическими регуляторами. По результатам проведенного имитационного моделирования установлено, что логические регуляторы не допускают появления колебании в динамике сепаратных подсистем за счет формирования стабилизирующих искусственных перекрестных связей между ними.

1.5 1

® 0.5 0

-0.5,

'V

V/

О 5 10 '0 5 10 0 5 10

Время, сек. Время, сек. Время, сек.

а б в

Рисунок 12 - Графики переходных процессов Г(/) в исследуемой МСАУ двухвальиым ГТД без логических регуляторов при различных программах управления: а — Г4 = const, П],Я7=var, б—const, «ь Тц = \аг,в-лт, = const, щ = var

0 5 10 0 5 10 0 5 10

Время, сек. Время, сек. Время, сек.

а б в

Рисунок 13 - Графики переходных процессов Y(t) в исследуемой МСАУ двухвальным ГТД с логическими регуляторами при различных программах управления: a-Tt, = const, 7Сг-var, 6-7tr= const, п\, Tt, = var, в - 717-, Ts, = const, щ = var

По результатам проведенных имитационных моделирований МСАУ ГТД установлено, что применение предложенного двойного логического алгоритма управления позволяет значительно повысить качество управления как при различных условиях полета летательного аппарата, так и при различных программах управления.

Также предложена инженерная методика, позволяющая обоснованно реализовать предложенную концепцию проектирования МСАУ с логическим ре-1улятором, обеспечивающим заданные требования к качеству управления. В целях автоматизации данного процесса проектирования разработано программное обеспечение.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана концепция проектирования и структура МСАУ СТО с двухканальным логическим регулятором на основе метода декомпозиции. Предложенная концепция заключается в интеграции линейного регулятора и двухканального логического корректора, проводящего анализ как характера движения сепаратных подсистем, так и влияния на их динамику перекрестных связей, с целью у.тучшегаш качества управления многосвязным объектов на нерасчетных режимах. На основе предложешюй концепции разработана структура двухканального логического регулятора в составе i-й сепаратной подсистемы МСАУ СТО, формирующего основной корректирующий сигнал управления собственной сепаратной подсистемой (на основе анализа её текущего состояния и динамики движения), так и дополнительный координирующий сигнал (на ос-

нове сравнительного анализа динамики движения всех сепаратных подсистем в составе МСАУ СТО).

2. Проведен синтез двойного логического алгоритма управления сепаратной подсистемой в составе МСАУ СТО. В контексте решения данной задачи разработан логический алгоритм управления автономной сепаратной подсистемой в составе многосвязного объекта управления, формирующий корректирующую ошибку е*(0 на основе анализа как текущего состояния, так и прогнозируемой динамики движения собственной /-Й сепаратной подсистемы по сигналам ошибки е,{() и её производной е/(/) соответственно. Также разработан логический алгоритм управления сепаратной подсистемой с учетом влияния перекрестных связей, формирующий искусственную координирующую связь йХО на основе логического сигнала у/((), полученного исходя из сравнительного анализа динамики движения }>!(/) собственной г'-й сепаратной подсистемы с динамикой движения ^'(0 остальныху-х сепаратных подсистем.

3. Проведен анализ эффективности МСАУ СТО с двухканальным логическим алгоритмом управления при параметрических изменениях, наличии чистого запаздывания и действии различных возмущений на основе имитационного моделирования. По результатам проведенных имитационных моделирований установлено, что предложенный логический регулятор обеспечивает приемлемое качество управления как при отдельных, так и при комплексных параметрических изменениях МСАУ, при наличии чистого запаздывания в контуре управления и в каналах связи многосвязного объекта управления, при действии возмущений как на отдельную сепаратную подсистему, так и на многосвязный объект управления в целом.

4. Разработана инженерная методика и программное обеспечение для проектирования МСАУ с двойным логическим алгоритмом управления. Разработанная инженерная методика позволяет обоснованно реализовать предложенную концепцию проектирования МСАУ с логическим регулятором, обеспечивающим заданные требования к качеству управления, а разработанное программное обеспечеггие позволяет автоматизировать этот процесс. Проведена оценка эффективности предложенного двойного логического алгоритма в составе МСАУ авиационным газотурбинным двигателем по переходным характеристикам путем имитационного моделирования. По результатам имитационного моделирования было установлено, что предложенный логический алгоритм обеспечивает приемлемое качество управления как при изменении условий полета (на примере одновалыюго ГТД), так и при изменении программы управления (на примере двухвального ГТД).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Управление многосвязными системами на основе логических регуляторов / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов // Вестник УГАТУ. 2014. Т. 18. №2 (63). С. 98-102.

2. Логический закон управления сепаратной подсистемой при структурно-параметрических изменениях многосвязного объекта / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2014. № 11. С. 585-595.

3. Синтез многосвязньгх систем автоматического управления с логическими связями между подсистемами / Б. Г. Ильясов, И. И. Сабитов // Совре-мегаше проблемы науки и образования: электронный научный журнал. 2015. № 1. С. 585-595. Режим доступа: wwwjcience-education.ru/l2l-l7530 (дата обращения: 10.06.2015).

Объекты интеллектуальной собственности

4. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2012618326. Анализ и синтез многосвязной системы автоматического управления с запаздыванием / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов, Э. К. Ибрагимова. Зарег. 14.09.2012 г. М.: Роспатент 2012.

5. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2014611581. Анализ и синтез пропорционально-интегрального регулятора для сепаратных каналов многосвязной системы автоматического управления / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов. Зарег. 06.02.2014 г. М.: Роспатент 2014.

6. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2015613251. Программа логического управления сепаратной подсистемой в составе сложного динамического объекта / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов, А. Ф. Галиуллина. Зарег. 10.03.2015 г.М.: Роспатент 2015.

7. Свид. о roc. per. программы для ЭВМ № 2015613647. Программа синтеза многосвязной системы автоматического управления с логическими регуляторами / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов. Зарег. 20.03.2015 г. М.: Роспатент 2015.

В трудах международных и всероссийских конференций

8. Разработка нелинейной модели определения коэффициентов регулятора с помощью откликов искусственной нейронной сети / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов // Информационные технологии и системы: сб. науч. тр. 2-й междунар. конф. (Банное, 27.02-03.03.2013). Челябинск: Изд-во Челяб. гос. ун-та, 2013. С. 90-92.

9. Методика расчета коэффициентов ПИ регулятора для сепаратных каналов многосвязной САУ / И. И. Сабитов //' Управления большими системами: сб. науч. тр. 10-й Всеросс. шк.-конф. молодых ученых. (Уфа, 05.06-07.06.2013). Уфа: УГАТУ, 2013. Т. 2. С. 90-93.

10. Управление многосвязными системами на основе логических регуляторов / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов // 6-я Всерос. мультиконф.

по проблемам управления (Дивноморск, 30.09-05.10.2013). Ростов-на-Дону: Из-во Юж. фед. ун-та, 2013. Т. 2. С.21-24.

11. Программное обеспечение поддержки принятия решения при проектировании систем автоматического управления многосвязной системой / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов // Информационные технологии интеллектуальной поддержки принятия решений (ITIDS'2014): тр. междунар. конф. (Уфа, 18.05-21.05.2014). Уфа: УГАТУ, 2014. Т. 1. С. 125-130.

12. Управление многосвязными системами с запаздыванием на основе логических регуляторов / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов // XII Все-росс. совещ. по проблемам управления (Москва, 16.06-19.06.2014). М.: ИПУ РАН, 2014. С. 1370-1377.

13. Анализ устойчивости многосвязных систем автоматического управления с логическими регуляторами / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: матер. 16-й междунар. конф. (Самара, 30.06-3.07.2014). Самара: СамНЦ РАН, 2014. С. 574-579.

14. Multivariable control system of gas turbine engine with logical controllers / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов II Информатика и информационные технологии 0577*2014 (Шеффилд, 16.09-22.09.2014): тр. 16-й междунар. конф. Уфа: УГАТУ, 2014. Т. 1. С. 224-228. (Опубл. на англ. яз.)

15. Многосвязная система автоматического управления газотурбинным двигателем на основе логического закона управления / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов // Управление в морских и аэрокосмических системах: матер. 7-й рос. мультиконф. по проблемам управления (СПб., 07.10-09.10.205). СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2014. С. 625-632.,

16. Управление газотурбинным двигателем с помощью логических регуляторов / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов // Наука и технологии: сбор. науч. труд. Всерос. конф. по пробл. науки и технологий (Миасс, 10.06-12.06.2014). М.: РАН. 2014. Т. 3. С. 152-162

17. Информационное обеспечение процесса проектирования многосвязной системы автоматического управления с требуемыми запасами устойчивости регуляторами / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов // Информационные технологии и системы: тр. 4-й междунар. научн. конф (Банное, 25.0201.03.2015) Челябинск: Изд-во Челяб. гос. ун-та. С. 176-178.

18. Программное обеспечение поддержки принятия решения при проектировании МСАУ СДО с логическими регуляторами / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов // Информационные технологии интеллектуальной поддержки принятия решений: тр. 3-й междунар. конф. (Уфа, 18.0521.05.2015). Уфа: УГАТУ, 2015. Т. 1. С. 103-106.

19. Анализ нелинейных многосвязных систем автоматического управления с логическими регуляторами / Б. Г. Ильясов, Г. А. Саитова, И. И. Сабитов // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: матер. 17-й междунар. конф. (Самара, 22.06-25.06.2015). Самара: СамНЦ РАН, 2015. С. 609-614.

Диссертант

И. И. Сабитов

САБИТОВ Искандер Ильдарович

СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ ДВУХКАНАЛЬНОГО ЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ МНОГОСВЯЗНЫМ ТЕХНИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ МЕТОДОМ ДЕКОМПОЗИЦИИ (НА ПРИМЕРЕ АВИАЦИОННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ)

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 22.09.2015. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать плоская. rapnwrypaTimesNewRoman. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 509.

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12