Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Развитие интегрально-модуляционных методов параметрической идентификации динамических объектов Анисимов Дмитрий Николаевич

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Анисимов Дмитрий Николаевич. Развитие интегрально-модуляционных методов параметрической идентификации динамических объектов: автореферат дис. ... доктора Технических наук: 05.13.01 / Анисимов Дмитрий Николаевич;[Место защиты: ФГБОУ ВО «МИРЭА - Российский технологический университет»], 2018

Введение к работе

Актуальность работы

Идентификация является одним из важных этапов при проектировании систем автоматического управления. Несмотря на то, что в последнее время появился широкий класс сложных, слабоструктурированных объектов, управление которыми осуществляется на основе мягких вычислений и не требует проведения идентификации в традиционном понимании этого слова, установление взаимосвязи в той или иной форме между входными и выходными сигналами объекта является весьма желательным при решении большинства практических задач.

Для построения математической модели могут быть использованы как теоретические, так и экспериментальные методы. Опыт, накопленный при проектировании систем управления, свидетельствует о том, что нельзя построить математическую модель, адекватную реальной системе, только на основе теоретических исследований физических процессов в системе. Сформированная таким образом математическая модель, как правило, значительно отличается от реальной системы, что приводит к снижению качества управления. Поэтому в процессе проектирования систем управления наряду с теоретическими исследованиями проводятся эксперименты по определению и уточнению математической модели системы.

Проблемам идентификации посвящено множество публикаций отечественных и зарубежных ученых в области автоматического управления. В числе наиболее известных можно назвать работы Я.З. Цыпкина, Н.С. Райбмана, И.И. Перельмана, А.М. Дейча, Ш.Е. Штейнберга, Н.Н. Карабутова, Д. Гропа, Л. Льюнга, П. Эйкхофа, Э.П. Сейджа и Дж.Л. Мелсы.

Разработка методов идентификации систем на основе непрерывных моделей были начаты в середине прошлого столетия, но в последние годы их развитие ориентировано в основном на модели дискретного времени. Это связано главным образом с совершенствованием средств вычислительной техники. При этом игнорируется ряд достоинств непрерывных моделей. Большинство методов, использующих непрерывные модели, также могут быть реализованы на цифровых вычислительных машинах и при этом, как правило, обладают большей простотой и наглядностью. Характерным примером таких методов являются интегрально-модуляционные методы (ИММ), которые основаны на перемножении входного и выходного сигналов объекта на специально формируемые модулирующие функции (МФ) и вычислении площадей под образованными кривыми. Наиболее известными методами, относящимися к классу интегрально-модуляционных, являются метод Симою и метод модулирующих

функций (ММФ). В частности, ММФ с успехом применяется при идентификации линейных объектов различной физической природы. Вместе с тем, точность идентификации во многом зависит от выбора вида модулирующих функций. Это свидетельствует об актуальности поиска различных классов модулирующих функций, позволяющих уменьшить погрешности оценивания параметров в условиях действующей помехи.

Среди всего многообразия объектов автоматического управления значительное место занимает класс нелинейных динамических объектов. При решении задачи получения математических моделей нелинейных систем наиболее часто используются описания в пространстве состояний, в виде нелинейных дифференциальных уравнений, рядов Вольтерра, моделей Гаммерштейна и Винера. Последние из перечисленных моделей строятся в предположении, что статическую нелинейную часть и динамическую линейную часть можно разделить и представить объект в виде их последовательной комбинации. Модели Гаммерштейна и Винера весьма наглядно демонстрируют характер нелинейности и во многих случаях позволяют определить условия, при которых модель может быть линеаризована. Причем особый интерес представляет модель Винера, поскольку нелинейное звено, включенное после линейной части, существенно затрудняет анализ динамики процессов. В этой связи представляется актуальной задача определения параметров линейной части объекта по сигналу, подвергшемуся нелинейным искажениям, с наложенной шумовой составляющей.

В современных системах управления широкое применение получили регуляторы, использующие алгоритмы нечеткого логического вывода (нечеткие логические регуляторы, НЛР). Несмотря на многолетний успешный опыт использования НЛР в различных технических системах, в настоящее время отсутствует единая методика их настройки. На функционирование НЛР оказывают влияние особенности реализации различных этапов алгоритма нечеткого вывода, таких как выбор логического базиса, формирование функций принадлежности и базы правил, агрегирование, активизация, аккумуляция, дефаззифи-кация. Влияние этих факторов на динамику НЛР как элемента системы автоматического управления является еще недостаточно изученным. Поэтому представляется важной задача получения математической модели НЛР, пригодной для анализа системы с позиций классической теории автоматического управления. Наличие такой модели позволит упростить целенаправленный поиск настроек НЛР, обеспечивающих заданные показатели качества системы автоматического управления.

Объектом исследования в данной работе являются линейные и нелинейные динамические объекты, а также нечеткие логические регуляторы.

Предметом исследования являются интегрально-модуляционные методы идентификации.

Целью диссертационной работы является развитие интегрально-модуляционных методов идентификации для построения математических моделей линейных и нелинейных динамических объектов широкого класса.

Для достижения цели работы были поставлены следующие основные задачи исследования:

  1. Разработка метода идентификации в классе интегрально-модулирующих методов, позволяющего уменьшить погрешности оценивания параметров линейного динамического объекта в условиях действующей помехи.

  2. Разработка критерия, позволяющего сравнивать точность идентификации, проводимой различными методами и в различных условиях.

  3. Сравнительный анализ точности идентификации с использованием интегрально-модуляционных методов и их модификаций.

  4. Разработка методики идентификации параметров линейной части нелинейного объекта, описываемого моделью Винера.

  5. Построение аппроксимирующей модели нечеткого ПД-регулятора на основе параметрической идентификации, позволяющей судить о зависимостях его динамических характеристик от параметров настроек.

Методы исследования

Полученные в диссертации результаты основываются на применении теории автоматического управления, теории вероятностей, теории идентификации, теории нечетких множеств, численных методов, имитационного моделирования.

Научная новизна

  1. Разработан новый метод идентификации линейных динамических объектов, принадлежащий к классу интегрально-модуляционных методов, отличающийся высокой помехоустойчивостью и простотой реализации.

  2. Получены аналитические выражения для определения функций плотности распределения оценок параметров объекта, первых и вторых центральных моментов распределений для разных видов случайной помехи.

  1. Разработан безразмерный нормированный показатель качества, позволяющий сравнивать точность идентификации, проводимой различными методами и в различных условиях.

  2. Проведен сравнительный анализ точности интегрально-модуляционных методов и выявлено влияние модулирующих функций на точность идентификации.

  3. Разработана методика проведения эксперимента для параметрической идентификации линейной части нелинейного объекта, учитывающей как влияние случайной помехи, так и нелинейные искажения сигнала.

  4. Сформулирован подход к идентификации нечеткого регулятора с использованием метода экспоненциальной модуляции.

Обоснованность и достоверность научных результатов и положений диссертации

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается их согласованностью с результатами, полученными другими авторами, совпадением с результатами имитационного моделирования и натурных экспериментов, корректным применением теории идентификации, теории вероятностей, теории автоматического управления, теории нечетких множеств.

Практическая значимость результатов

  1. Разработанный метод идентификации позволяет получать удовлетворительные оценки параметров линейного динамического объекта в условиях сильной зашумленности и в силу своей простоты может быть реализован на любых современных вычислительных средствах.

  2. Полученные аналитические выражения для определения функций плотности распределения оценок параметров объекта, первых и вторых центральных моментов распределений позволяют выявить влияние характеристик шума, интервала дискретизации и постоянных времени модулирующих функций на статистические характеристики оценок.

  3. Предложенный метод экспоненциальной модуляции обладает высокой универсальностью и может быть использован для идентификации широкого круга линейных и нелинейных объектов, включая объекты с транспортным запаздыванием, с распределенными параметрами, описываемые иррациональными передаточными функциями, а также нечеткие логические регуляторы и ши-ротно-импульсные модуляторы.

Реализация результатов

1. Метод экспоненциальной модуляции и рекомендации по выбору
ПВЭМФ были использованы в блоке идентификации экспертного регулятора
следящего электрического привода, разработанного в МИРЭА - Российском
технологическом университете и реализованного в виде программного ком
плекса «Эксперт». Как показали лабораторные испытания комплекса, он обес
печивает решение всего комплекса задач проектирования САУ.

  1. Метод экспоненциальной модуляции был использован при получении математического описания процессов нагрева и охлаждения вакуумно-термической установки, работающей в ООО «ГазИнтех».

  2. На основе метода экспоненциальной модуляции получена динамическая модель сетчатки глаза, позволяющая выявить дополнительные информационные признаки при построении автоматизированной системы диагностики патологий сетчатки. Данная модель была использована при выполнении проектов 07-01-00762а «Исследование и разработка методов и моделей диагностики сложных проблемных ситуаций на основе методов искусственного интеллекта», 10-01-00049а «Методы диагностики объектов и систем сложной структуры с использованием параметров имитационных моделей», 13-01-00082а «Разработка методов построения многоуровневых диагностических систем на базе нечеткого логического вывода для объектов сложной структуры», 16-01-00054а «Разработка принципов настройки нечетких иерархических диагностических систем с использованием статистических моделей объектов», выполняемых совместно с Московским научно-исследовательским институтом глазных болезней им. Гельмгольца и поддержанных грантами РФФИ.

  3. Теоретические положения диссертационной работы были использованы в учебном процессе кафедры «Проблемы управления» МИРЭА - Российского технологического университета при постановке лабораторных работ по курсу «Теория автоматического управления. Часть 1» и в учебном процессе кафедры управления и информатики Национального исследовательского университета «МЭИ» при подготовке курса лекций по дисциплине «Нечеткие алгоритмы управления» и постановке лабораторных работ по курсу.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на двадцати международных конференциях «Информационные средства и технологии» (1992–1994, 1996-2002, 2003-2014 гг. Москва), научно-практической конференции «Проектирование, монтаж и наладка автоматизированных систем теплоснабжения» (1987, г. Ленинград), научно-техническом совещании «Пути повышения эффективности теплофикации и теплоснабжения» (1989, г. Горький), II международном науч-

но-техническом семинаре «Теоретические и прикладные проблемы моделирования предметных областей в системах баз данных и знаний» (1993, г. Киев), международном научно-техническом семинаре «Искусственный интеллект в системах управления» (п. Рыбачье, 1995 г.), девятнадцати международных научно-технических семинарах и трех международных научно-технических конференциях «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (1996-2017 гг., Алушта), II международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO'03 (2003 г., Москва), 13-й всероссийской конференции, посвященной 15-летию РФФИ «Математические методы распознавания образов» (2007, Ленинградская обл., г. Зелено-горск), четырех международных научно-методических конференциях «Информатика: проблемы, методология, технологии» (2014-2017 гг., Воронеж), международной научно-практической конференции «Информатика, математическое моделирование, экономика» (2014 г., Смоленск), двух международных научно-технических конференциях «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (2015, 2017 гг., Пенза), International Academic Forum AMO – SPITSE – NESEFF (2016, Moscow – Smolensk).

Публикации

Автором опубликована 121 работа по теме диссертации, в том числе 27 статей в журналах из перечня ВАК, 2 статьи, входящие в библиографическую базу Web of Science, 1 статья, входящая в библиографическую базу Scopus, 1 авторское свидетельство, 39 статей и докладов в материалах конференций, тезисы 49 докладов, 1 учебное и 1 методическое пособие.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, содержащего 236 наименований и приложения. Основной текст диссертации излагается на 316 машинописных страницах, содержит 139 рисунков и 13 таблиц.