Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время решение проблемы энергосбережения в энергоемких технологических процессах преобразования энергии обеспечивается, в первую очередь, за счет использования импульсных способов преобразования энергии. Однако, наряду с высокой энергоэффективностью, эти способы характеризуются ограничениями на применение, обусловленными нелинейным характером динамики импульсных систем преобразования энергии (ИСПЭ). Эти ограничения связаны с возможностью потери устойчивости эксплуатационного процесса вследствие естественной эволюции динамики, что подтверждается результатами вычислительных и натурных экспериментальных исследований, например, в последние годы [Banerjee S., Tse C.K. и соавт.; Chen J.-N.. и соавт.; Chakrabarty K. и соавт.; Колоколов Ю.В. и соавт.; и др.]. Функционирование ИСПЭ в широком диапазоне внешних и внутренних воздействий (например, варьирование температуры и влажности, колебания входного напряжения и нагрузки, старение элементов и др.) существенно осложняет решение проблемы предотвращения нелинейных явлений на стадии проектирования ИСПЭ.
В этой связи в качестве направления решения подобных проблем все чаще рассматривается применение методов превентивной диагностики [De Gooijer J.G., Hyndman R.J., 2006; Дедученко Ф.М., 2009; Gandhi A. и соавт., 2011; и др.]. В частности, применительно к ИСПЭ один из перспективных вариантов видится в применении методологии символического прогнозирования нелинейной динамики [Колоколов Ю. В., Моновская А. В., 2005-2011]. Основное преимущество этой методологии – возможность распознания направления эволюции нелинейной динамики в ходе переходного процесса. Это преимущество сохраняется в условиях помех и вариации внешних и внутренних параметров в широком диапазоне за счет использования геометрической трактовки инвариантов фазовых траекторий для описания нелинейных динамических процессов. На практике внедрение в системы управления ИСПЭ новых алгоритмов на основе этой методологии только начинает рассматриваться, что предполагает необходимость проведения больших объемов натурных экспериментальных исследований.
Особыми требованиями к этим исследованиям являются: комплексная автоматизация экспериментов для обеспечения необходимого уровня их интенсификации; выявление и анализ закономерностей нелинейных переходных и стационарных процессов во взаимосвязи; реализация исследований в режимах онлайн и реального времени. При этом в обоих указанных режимах речь идет о получении и обработке синхронизированных данных с действующей системы (например, синхронизированные временные ряды напряжений от датчиков тока и напряжения, управляющие напряжения синхроимпульса и функции коммутации и др.). В реальном времени обработка происходит до (в случае «прогнозирования») или одновременно (в случае «идентификации») с наступлением события, в режиме онлайн обработка происходит постфактум.
Анализ литературы [Mazumber S.K. at al., 2001; Kolokolov Yu at al., 1999-2011; Chen J.H. at al., 2011; C. K. Tse at al., 2004-2011; S.G. Stavrinides at al., 2009-2011; и др.] и сайтов производителей [; ntpcentr.com; electrolab.ru; и др.] показывает, что существующие экспериментальные установки не обладают достаточными функциональными возможностями для удовлетворения данным требованиям. Кроме того, эти требования предполагают понимание нелинейных динамических процессов, что пока не характерно для инженерной практики [Jelali M., 2006]. Таким образом, для создания систем управления, обеспечивающих повышение надежности и безопасности ИСПЭ, актуальными представляются научные исследования по разработке автоматизированных систем с расширенными функциональными возможностями, а также соответствующего методологического и программного обеспечения, которые направлены на внедрение и развитие алгоритмов превентивной диагностики.
Цель работы: развитие научных исследований нелинейной динамики ИСПЭ, а также алгоритмов символической идентификации и прогнозирования аварийных состояний в ИСПЭ посредством автоматизации натурных экспериментальных исследований и разработки методик и программ для их выполнения.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:
-
Анализ предметной области, проблемной ситуации и постановка задачи исследования;
-
Предварительные экспериментальные исследования нелинейной динамики ИСПЭ, разработка и реализация автоматизированной системы научных исследований, идентификация ее параметров, разработка алгоритмов и программ для ее функционирования;
-
Анализ и натурные экспериментальные исследования символических методов идентификации и прогнозирования аварийных состояний в ИСПЭ, разработка алгоритмов, формализующих этапы идентификации и прогнозирования, разработка программ для реализации этих алгоритмов, их имитационное моделирование и тестирование.
-
Разработка и апробация методик проведения автоматизированных натурных экспериментальных исследований нелинейной динамики ИСПЭ, а также работоспособности алгоритмов символической идентификации и прогнозирования аварийных состояний в ИСПЭ. Разработка руководства по эксплуатации автоматизированной системы научных исследований.
Методы и средства исследования. Для решения указанных задач в работе использовались методы теорий автоматического управления, нелинейных динамических систем, устойчивости, идентификации, вероятности и математической статистики. Исследование динамики объектов исследования и обработка полученных экспериментальных данных проводились на ЭВМ с использованием языков программирования Python, С, С++ Verilog HDL. Экспериментальная часть работы выполнена на установке «Импульсный понижающий преобразователь постоянного напряжения 24В-60Вт» в лаборатории Института (НОЦ) «Системы управления и информационные технологии» ЮГУ.
На защиту выносится:
-
Алгоритмы для реализации символической идентификации и прогнозирования аварийных состояний в ИСПЭ в режиме реального времени;
-
Методики проведения автоматизированных натурных экспериментальных исследований;
-
Программы для реализации алгоритмов и автоматизации натурных экспериментальных исследований.
Научная новизна:
1. Разработаны алгоритмы для реализации символической идентификации и прогнозирования аварийных состояний в ИСПЭ в режиме реального времени, а именно:
Алгоритм определения границы устойчивости эксплуатационного процесса, отличающийся тем, что на основе анализа результатов натурных экспериментов оценивается зона неопределенности в окрестности бифуркационной границы;
Алгоритм вычисления рабочего параметра алгоритмов символической идентификации и прогнозирования аварийных состояний в ИСПЭ, отличающийся тем, что величина помеховой составляющей определяется на основе анализа результатов натурных экспериментов по исследованию эволюции нелинейной динамики;
Алгоритмы символической идентификации и прогнозирования аварийных
5 состояний в ИСПЭ, отличающиеся тем, что реализуют в режиме реального времени постановку задачи превентивной диагностики, при которой «идентификация» означает распознание состояния системы одновременно с его наступлением, а «прогнозирование» – до его наступления.
-
Разработаны методики проведения автоматизированных натурных экспериментальных исследований с использованием предложенных алгоритмов, а именно: методика построения границы устойчивости эксплуатационного процесса; методика определения рабочего параметра алгоритмов символической идентификации и прогнозирования аварийных состояний в ИСПЭ; методика исследования работоспособности этих алгоритмов.
-
Разработан комплекс программ для реализации предложенных алгоритмов и автоматизации натурных экспериментальных исследований в соответствии с предложенными методиками.
Практическая значимость:
-
Автоматизированная система исследований алгоритмов символической идентификации и прогнозирования аварийных состояний в ИСПЭ предоставляет дополнительные функциональные возможности для комплексных натурных экспериментов по исследованию нелинейных динамических процессов (включая переходные процессы), по исследованию алгоритмов символической идентификации и прогнозирования аварийных состояний в ИСПЭ в режимах онлайн и реального времени, а также для гибкого планирования сценариев экспериментальных исследований с учетом возможности варьирования параметров указанной автоматизированной системы;
-
Алгоритмы символической идентификации и прогнозирования аварийных состояний в ИСПЭ совместно с методикой экспериментального определения рабочего параметра этих алгоритмов могут быть использованы для реализации новых технических решений, направленных на повышение надежности ИСПЭ при модернизации имеющихся и разработке новых систем управления ИСПЭ с использованием имеющейся базы промышленных контроллеров;
-
Результаты исследования могут быть использованы в учебном процессе при обучении бакалавров и магистров по дисциплинам «Организация ЭВМ и систем», «Системы реального времени», а также аспирантов по специальностям 05.13.06 и 05.13.18.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены и используются при проектировании автоматизированных систем управления ИСПЭ на ЗАО НТЦ «Модуль» (г. Орел);
Результаты внедрены в образовательный процесс в ЮГУ при подготовке студентов по специальности 230102.65 «Автоматизированные системы обработки информации и управления», аспирантов по специальностям 05.13.06. «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические науки)» и 05.13.18. «Математическое моделирование, вычислительные методы и комплексы программ (технические науки)».
Внедрение результатов подтверждается соответствующими актами.
Связь темы работы с научно-исследовательскими программами:
В 2006 году исследования по теме диссертационной работы выполнялись в рамках программы ФЦНТП «Проведение научных исследований молодыми учеными» по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» по теме работы «Прогнозирование опасных процессов в динамике импульсных систем преобразования энергии» (государственный контракт 2006-РИ-19.0/001/503);
В 2009-2011 годах исследования выполнялись в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2011 годы, мероприятие «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров», по теме «Снижение риска и уменьшение последствий аварийных ситуаций, обусловленных нелинейными явлениями в динамике импульсных систем преобразования энергии»
6 (государственный контракт №02.740.11.0034).
Апробация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы представлены и обсуждались на 6 конференциях: научной сессии ТУ СУР Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск 2006); на научно-технической конференции молодых ученых в рамках 11-й Балтийской международной олимпиады по автоматическому управлению (Санкт-Петербург, СПбГИТМО, 2006), где доклад занял 3 место в номинации за практическую значимость и за качество представления материала; на VIII конференция молодых специалистов организаций, осуществляющих виды деятельности, связанной с пользованием участками недр на территории Ханты-Мансийского автономного округа-Югры, приуроченная к Международному году планеты Земля (Ханты-Мансийск, 2008); на III международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее». (Невинномысск, 2010); на IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП-2010)» (Орел, 2010), на конференции международного IT-форума (г. Ханты-Мансийск, 2010).
Публикации. По теме исследования опубликовано 15 печатных работ, включая 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 5 свидетельств на программу ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 149 наименований. Основная часть работы изложена на 183 страницах машинописного текста, включая 83 рисунка и 8 таблиц.
