автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Цифровое дистанционное управление техническим объектом с учетом фактора канальной среды

Введение. Постановка задачи.

Принятые сокращения и обозначения.

Глава 1. Сравнительный анализ методов цифрового дистанционного управления техническими объектами.

1.1. Анализ возможностей дистанционного управления техническими объектами, функционирующими в следящем режиме, средствами стандартных телемеханических протоколов.

1.2. Обоснование необходимости построения системы дистанционного управления техническим объектом в условиях динамически эволюционирующего задающего воздействия в протоколе РРР.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Синтез цифрового управления техническим объектом в условиях компактного размещения функциональных компонентов системы.

2.1. Базовый алгоритм синтеза динамического модального управления непрерывным техническим объектом.

2.2. Базовый алгоритм синтеза динамического цифрового ^ управления непрерывным техническим объектом на основе его дискретного модельного представления.

2.3. Сравнительный анализ базовых отечественных телемеханических протоколов и аппаратных средств кодовых преобразований на предмет выбора интервала дискретности при построении цифрового дистанционного управления.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Формирование цифрового дистанционного динамического управления непрерывным техническим объектом с учетом фактора канальной среды в условиях отсутствия помех.

3.1. Анализ возможности использования цифрового алгоритма управления, сформированного в условиях игнорирования фактора канальной среды, для целей дистанционного управления.

3.2. Анализ процессов в системе цифрового дистанционного управления с целью обеспечения ее работоспособности путем модификации характеристической частоты модальной модели.

3.3. Системное обоснование выбора телемеханического протокола по его пропускной способности и по техническим требованиям к временным показателям системы цифрового дистанционного управления.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Цифровое управление с учетом фактора канальной среды в составе модельного представления.

4.1. Проблемы построения цифрового дистанционного управления при полном модельном представлении процесса с интервалом дискретности, согласованным с выбранным телемеханическим протоколом, физически реализующим канальную среду.

4.2. Построение динамического цифрового дистанционного управления на основе редуцированного модельного представления агрегированного объекта: "собственно технический объект - канальная среда".

4.3. Анализ процессов в системе цифрового дистанционного управления, использующей редуцированное модельное представление агрегированного объекта. Проблема ненулевого начального состояния в системе динамического цифрового дистанционного управления.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Цифровое дистанционное управление техническим объектом с учетом фактора канальной среды с помехами.

5.1. Фактор помеховой среды в структуре формата используемого кода.

5.2. Оценка влияния модификации размерности кодовой посылки, удовлетворяющей требованиям необходимой помехозащиты и параметрам шумовой среды в предоставленном ТМП, на процессы цифрового дистанционного управления.

5.3.Интервальные модельные представления в задаче динамического цифрового дистанционного управления техническим объектом, порождаемые фактором помех в канальной среде.

5.4. Прикладные задачи цифрового дистанционного управления с учетом фактора канальной среды в условиях помех.

Выводы по главе 5.

Тема диссертационных исследований под названием "Цифровое дистанционное управление техническим объектом с учетом фактора канальной среды" подсказана необходимостью соединения в едином проблемном модуле возможностей нынешнего состояния теории и практики разработки цифровых управляющих комплексов с системным фактором канальной среды в случае их использования для целей организации дистанционного управления. Следует заметить, что современная теория цифровых (дискретных) систем управления [15] развивалась в основном в обстановке почти полного «абстрагирования» от проблем канальной среды, полагая ее идеальной даже в случае ее наличия в составе системы, тем самым замыкаясь на классические задачи управления (устойчивость, качество, управление в условиях неопределенности, робастность, наблюдение, идентификация, адаптация и т.д.) с учетом специфики представления сигнальных компонентов управляемых процессов в дискретизированной по времени, а возможно уровню, формах [15,16,18,40,42,44,50]

В свою очередь проблема канальной среды, реализуемой средствами современных промышленных телемеханических (ТМ) протоколов (систем телемеханического управления) в основном были сориентированы на телемеханическое дистанционное управление техническими объектами, потребность изменения состояния которых в процессе функционирования (эксплуатации) эволюционирует с достаточно низким темпом, так что дистанционное управление средствами ТМ- протоколов ограничивалось сменой уставок [7-13,45] локальным следящим приводам, «абстрагируясь» от сильных результатов в современной теории цифровых систем управления, тем самым, обнаруживая «слабую готовность» вести дистанционное управление высокоскоростными технологическими процессами и техническими объектами в режиме "on-line" даже с использованием технологий РРР-протокола (point-to point protocol) [17]. Круг проблем, решаемых специалистами в канальной среде, в основном замыкался на проблемы оптимальных сетевых топологий, формирование системы приоритетов, методов повышения пропускной способности канальной среды, методов надежного захвата канала связи, оптимального приема, методов эффективного и помехозащитного кодирования, а также методов наделения систем передачи необходимыми криптографическими свойствами и защиты информации.

Пионерской попыткой объединения задач цифрового дистанционного управления и учета при этом фактора канальной среды в единый проблемный модуль можно считать работу Р.Е. Ринка "Optimal Utilization of Fixed-Capacity Channels in Feedback Control", Automatica, Vol. 9, pp.251-255. Pergamon Press, 1973. В работе Р.Е. Ринка ставилась задача оценки реализуемости обратных связей с учетом пропускной способности канальной среды в классической шенноновской постановке. Анализ научно-технической литературы, проведенный глубиной в 25 лет на примере журналов, издаваемых Российской Академией Наук: "Автоматика и Телемеханика", "Теория и Системы Управления" (бывший "Техническая Кибернетика"), а также "IEEE Transaction on Automatic Control" позволяет констатировать слабую библиографическую обеспеченность затрагиваемой проблемы. Более того, на итоговом заседании Санкт-Петербургского городского научно-технического семинара по проблемам современной теории управления, функционирующего при Институте Проблем Машиноведения Российской Академии Наук (ИПМаш РАН) под руководством доктора технических наук, профессора Фрадкова A.JI. в декабре 2002 года была особо отмечена «незатронутость проблем дистанционного управления с учетом фактора канальной среды вниманием специалистов в области современной теории управления».

Диссертационные исследования проводились в рамках региональной комплексной целевой программы (РКЦП) "Телемеханика-2000", к которой подключилась исследовательская группа лаборатории телемеханики кафедры

Систем Управления и Информатики (СУИ) Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (СПбГУИТМО) под научном руководством профессора Ушакова А.В. На соискателя возлагалась задача разработки алгоритмов цифрового дистанционного управления непрерывными техническими объектами с учетом фактора канальной среды, проявляющегося на уровне модельного представления в виде существенного изменения размерности его матричных компонентов даже в обстановке отсутствия помех в канальной среде только за счет многократных кодовых преобразований типа «параллельный -последовательный» и наоборот. Фактор наличия помех приводит к дополнительному расширению размерности модельных компонентов, а в случае адаптивных методов [41] обеспечения помехозащиты эти модельные представления получают развитие в направлении использования возможностей интервальных модельных описаний. Результаты проведенных диссертационных исследований позволили научной группе лаборатории телемеханики положить их в основу возможной подготовки технических предложений по заявленным в Интернете ОАО "Управляющая Компания Волжский Гидроэнергетический Каскад": ОАО "Боткинская ГЭС" конкурсным торгам «по выбору Исполнителя на проектирование, изготовление, монтаж, наладку и пуск в эксплуатацию автоматизированной системы управления гидроагрегатом» в части подготовки алгоритмического обеспечения цифрового дистанционного управления в составе подсистемы автоматического регулирования частоты и активной мощности гидроагрегата [36].

Основной математический аппарат, примененный при проведении диссертационных исследований составляет метод пространства состояний, применительно к задачам цифрового управления, интервальные модельные представления, медианное модальное управление, дополненное процедурой контроля оценки относительной интервальности матрицы состояния системы цифрового дистанционного управления и показателя качества спроектированной системы, формализм матричного уравнения Сильвестра, шенноновский подход к оценке пропускной способности канальной среды в условиях помех, методы помехозащитного кодирования и декодирования в задаче избыточности кодовых представлений, а также оценки временных затрат в случае использования коммутируемых каналов связи. Математический аппарат поддерживается программной и модельной оболочкой Matlab последних версий.

Соискатель при построении текста диссертации структурировал его с помощью рубрик: концепция, гипотеза, определение, утверждение, доказательство, примечание, следствие, алгоритм. Структурно диссертация состоит из введения, перечня используемых сокращений и обозначений, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

Выводы по главе 5

1. Фактор помеховой среды в структуре формата используемого кода в рамках традиционных методов помехозащиты телемеханической информации в соответствии с ГОСТ26.205-88 положен в основу построения помехозащищенного (п,к) кода, обеспечивающего режим исправления, как в прямом, так и обратном каналах системы цифрового дистанционного управления. При этом параметры ПЗК (п,к) кода рассчитаны для наиболее употребляемых размерностях аналого-цифровых и цифро-аналоговых кодовых преобразований для всех категорий телемеханических протоколов и моделей шумовой среды в канале связи, характеризующегося вероятностями искажения одного бита равной 10~5,10~4,10~3.

2. Показано, что использование концепции агрегированного интервала дискретности позволяет в системной постановке факт изменения формата кода с учетом помеховой среды представить как вариацию такого системного параметра цифровой системы управления как интервал дискретности с возможностью привлечения к анализу влияния его вариаций с использованием аппарата теории параметрической чувствительности и интервальных модельных представлений.

3. Решены общесистемные задачи управления относительной интервальностью системы динамического цифрового дистанционного управления техническим объектом, матричные компоненты модельного представления которого приобретают интервальные элементы, порождаемые фактором помех в канальной среде.

4. В качестве прикладной проблемной области полученных при выполнении диссертационных исследований результатов диссертант принял участия в подготовке теоретических обоснований технических предложений по разработке системы дистанционного управления гидроагрегатом с поворотно-лопастной гидротурбиной ПЛ-661-ВБ-930

180 производства АО «ЛМЗ» с целью регулирования частоты генерируемой электроэнергии, качество которой должно соответствовать требованиям ГОСТ13.109-97, в соответствии с условиями разработки, выставленной в Интернете заказчиком работы ОАО "Боткинская ГЭС "

1. Акунов Т.А., Сударчиков следящей А., системы Ушаков на основе А.В. Синтез фотоэлектрической интервальных модельных представлений. Часть

2. Построение интервальной модели компонентов системы,//Изв. Вузов. Приборостроение. 2004.Т.47., т.№1, с. 19-26.

3. Акунов Т.А., Сударчиков следяш,ей А., системы Часть Ушаков на П. основе Синтез А.В. Синтез фотоэлектрической модельных интервальных управления, качества представлений. обеспечивающего стабильные эллипсоидные показатели системы.//Изв. Вузов. Приборостроение. 2004.Т.47., т.№5, с. 17-23.

4. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами. М.: Наука, 1976.

5. Баричев Г., Гончаров В.В., Серов Р.Е. Основы современной криптографии. 2-е изд., испр. и доп. М: Горячая линия Телеком, 2002. 5.

6. Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. М.: «Наука», 1

7. Протоколы передачи.

8. Обобщающий стандарт по основным функциям телемеханики. 187

9. Протоколы передачи данных. Доступ к сетям, использующим стандартные профили по МЭК 60870-5-101.

10. Золотарев В.В., Овечкин Г.В. Помехоустойчивое кодирование. Методы и алгоритмы: Справочник/Под ред. чл.-кор. РАН Ю.Б. Зубарова. М.: Горячая линия Телеком, 2004.

11. Иванов В.А., Ющенко А.С. Теория дискретных систем автоматического управления. М.: Наука, 1983.

12. Изерман Р., Цифровые системы управления: пер. с англ., М.: Мир, 1984.

13. Ирвин Дж., Харль Д. Передача данных в сетях: инженерный подход: Пер. с англ. СПб.: БХВ-Питер, 2003.

14. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. М.: Мир, 1971. 19.

15. Калужнин Л. А. Введение

16. Квакерпаак X., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления Пер. с англ. М.: Мир, 1977.

17. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. М.: Машиностроение, 1976.

18. Лазарев В. Г., Пийль Е. И. Синтез управляющих автоматов. М.: Энергия, 1978.

19. Малдовян Н.А., Малдовян А.А. Введение

20. Математический энциклопедический словарь/Гл. ред. Ю.В.Прохоров М.: Сов. энциклопедия, 1988

21. Мельников А. А., Ушаков А. В. Двоичные динамические системы дискретной автоматики/Под ред. А.В. Ушакова. СПб.:СПбГУ ИТМО, 2005.

22. Нечаев В.И. Элементы криптографии (Основы теории защиты информации) Под. В.А. Садовничего М: Вые. шк., 1999. 188

23. Программирование, управление и информационные технологии/Главный редактор В.П. Васильев. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005, с. 52-59. 33. О.С. Осипцева, А.В. Ушаков. Синтез закона цифрового дистанционного управления непрерывным объектом при наличии помех в канальной среде/Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвуз. сб. СПб.: СЗТУ, 2006, вып.35, с.65-76, 189

24. Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки. Пер. с англ. М.: «Мир», 1976. 36.

25. Приказы по УК ВоГЭК/ Приложение к приказу Х21758 от 14.09.2004г Пшеничников A.M., Портнов М.Л. Телемеханические системы на интегральных микросхемах М.: Энергия, 1977.

26. Сапожников В. В., Сапожников Вл. В., Гессель М. Самодвойственные дискретные устройства. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 2001.

27. Селлерс Ф. Методы обнаружения ошибок в работе ЭЦВМ, М.: «Мир», 1972.

28. Синтез дискретных регуляторов при помощи ЭВМ/В.В. Григорьев, В. Н. Дроздов, В. В. Лаврентьев, А. В. Ушаков. Л.: Машиностроение, 1983

29. Советов Б.Е., Стах В.М. Построение адаптивных систем передачи информации для автоматизированного управления. Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982.

30. Современная теория систем управления под редакцией К.Т.Леондеса: Пер. с англ. Москва. Наука. 1980

31. Темников Ф. Е., Афонин В. А., Дмитриев В. И. Теоретические основы информационной техники. М.: Энергия, 1979. 44. Ту Ю.Т. Современная теория управления: Пер. с англ. Машиностроение, 1971г. 45.

32. Тутевич В. Н. Телемеханика. М.: «Высшая школа», 1

33. Уонем М. Линейные многомерные системы: геометрический подход. М.: Паука, 1980. М.: 190

34. Харитонов В.Л. Устойчивость вложенных семейств полиномов.// Автоматика и телемеханика. 1995. 5. 170-178.

35. Щербаков Н.С. Достоверность работы цифровых устройств. М.: Машиностроение, 1989. 50. СЕ. Shannon and W. Weaver: The Mathematical Theory of Communication. University of Illinois Press (1949).

36. Olga.S. Osiptseva, The Influence of delay in binary channel on the quality of remote digital control in PPP-protocol /Preprints of 10th International Student Olympiad on Automatic Control (Baltic Olympiad),St.- Petersburg,Russia,2004, SPb:SPSUITMO, 2004, p.p. 42-46.

37. Olga.S. Osiptseva, The analysis of the processes in remote control digital system with adaptive techniques of anti-interference on basis of the interval model representations .PREPRINTS of 11th International Student Olympiad on Automatic Control (Baltic Olympiad), Saint Petersburg, SPbSU ITMO, 2006.

38. Rosenthal J. "Some interesting problems in systems theory which are of fundamental importance in coding theory", in Proc. 36 Conf. Decision Control, vol.5, San Diego, CA, 1997, pp. 4574-4579.

39. Rosenthal J. and Smarandache R., "Maximum distance separable convolutional codes", Appl. Alg. Eng., Commun. Comput., vol.10, nol, pp. 15-32,1999.

40. Rosenthal J., York F.V. and Schumacher J.M. "On the relationship between algebraic systems theory and coding theory: Representations of codes", in Proc. 34 Conf. Decision Control, vol.3. New Orleans, LA, 1995, pp.32713276. 191