Введение к работе
Актуальность проблеми. Интенсификация промышленного производства требует ускорения научно-технического прогресса и во- многом зависит от ускорения темпов тюдрония научно-технических достижении. Современное развитие производства ограничивает сроки, необходимые для разработки и улучшения технико-вкономических показателей оборудования (систем, технологических устройств). При этом основная роль отводится автоматическим системам управления, чаще но базе ЭВМ, развитие которых выдвигает все более возрастающие требования к методам синтеза систем управления. Развитие и распространение непрерывных технологических процессов и объектов управления, примерами которых могут служить химические процессы производства, системы управления турбодвигателями, системы кондиционирования воздуха, системы испытаний изделий и конструкций и так долее, приводит к повышению требований к качеству работы систем управления, к учету взаимных связей можду регулируемыми величинами. Ужесточение требований к технологии такие, например, как обеспечение заданных динамических качеств переходных процессов по управляемым пвремвшшм, автономность каналов управления и инвариантность характеристик замкнутой системы по отношению к параметрам, требуют дальнейшего развития теории и методов управления сложными динамическими объектами высокой размерности.
Актуальным на современном этапе развития автоматических систем управления является исследование новых направлений в области синтеза взаимосвязанных систем управления нестационарными объектами, многие аспекты этой комплексной проблемы получили свое решение и отражение в трудах ведущих научпо-нсследовятельских и проектных организаций и вузов нашей страны. Значительную; часть известных методов синтеза систем управления непосредствешю сложно применять па практике, так как во многих случаях не .доствот информации о параметрах объекта и вяеипвн возмущениях. Задача синтеза систем автоматического управления объектами с нэстацяояврнамя параметрами актуальна в теории управления. Это объясняется тем, что параметры практически всех объектов управления меняются во времени из-за старения, внешних возмущений, изменения условий функционирования.
Эту задачу пытаются решать модальными мвтода?ли, методом разделения движений или, говорят, методом введения больших коэффициентов, метод»" создания скользящих рояимов и упрзвлошіем с векто-
..-1 _
ром скорости изменения переменных. По-видимому, идея введения больших коэффициентов в каналы управления, лорвие исследования свойств таких систем принадлежат М.В. Меерову и его ученикам. Разработкой систем со скользящими режимами занимается научная груїша В.И. Уткина. Теория систем с вектором скорости в законе упровло-ния, систем с разделением движений интенсивно разрабатывается последние десятилетия в Новосибирском государственном техническом университете под руководством А.С. Вострикова. Задача синтеза систем, малочувствительных к изменениям параметров, всегда привлекала взимание ведущих математиков и специалистов в области теории автоматического управления - этой задачей занимались Н.Н. Кросовский, Г.С. Поспелов, А.Н. Тихонов, Г.В. Щипанов.
Будем рассматривать линейные системы, в которых нестационарность проявляется от процесса к процессу. Для линейных систем наиболее близкими являются модальные методы синтеза, которые предполагают задание корней. В рассматриваемой работе предлагается именно так задавать желаемые свойства системы. Наличие ностационарнос-ти в объекте не позволяет применять модальные методы синтеза. Для такого класса объектов можно использовать достаточно разработанные к настоящему времени метода локализации возмущений. Но последние ориентированы больше на нелинейные нестационарные объекта, что предполагает довольно сложный аппарат расчета и исследования. Особо слоаиость проявляется при расчете многоканальных систем автоматического управления. Для более простой ситуации, т.е. для линейных систем предлагается объединить достоинства модального метода, позволяющие обеспечить ведаемые свойства замкнутой систем., и принципа локализации, позволяющие локализовать яостационарности во внутреннем контура. При этом ключевым является искусственное введение в регулятор малых параметров. Это мощный рычаг для решения задачи синтеза.
Донные исследования проводились по утвержденным министерствам томам: "Автоматическое управление динамическими объектами с переменными характеристиками" (тема и 0186.0044-757, 1986 — J990, тема ЇЮ1.9.10007886, 1991 - 1994 гг.), "Системы автоматизации стендовых испытаний авиационного оборудования", грант по фундаментальным исследованиям технологических проблем авиастроения и космической техники (тема Н 01.9.40000573, 1992 - 1994 гг,).
Цель диссертационного исследования. В наетоадеа время пр» управлении шшшейннми нестационарными объектами к&жучил СоЩйй-
распространение принцип разделения движений. Однако, даже при решении линейных задач разработанные метода оказываются трудно реализуемыми в вычислительном отношении, содержат ограничения но вид желаемых процессов, и их нельзя использовать в системах с амплитудной модуляцией и в системах, описываемых иррациональными перо-даточными функциями. Л при работе системы в режиме больших отклонений недостаточно разработаны условия устойчивости и неизвестны алгоритмы оптимального управления по быстродействию. Проведанные детальные исследования показали, что при решении линейных задач синтеза эти недостатки могут быть устранены за счет синтезе новых методов на базе привлечения других основополагающих конструкций, а именно: асимптотических соотношений, диофантовых уравнений, пора-метров Эйлера и интерволыюй математики. В результате построеїш свободные от указанных недостатков методы синтеза.
В работе рассматриваются линейные объекты с переменными во времени параметрами в темпе от процесса к процессу. Требуется, чтобы в замкнутой системе переходные процессы обладали определенным качеством, соответствующим желаемым динамическим свойствам (желаемому линейному дифференциальному уравнению).
Цель работы - разработать теоретические основы и практическую реализации метода синтеза регуляторов, пригодного для многоканальных линейных систем, обеспечивающего требуемые даяамячвскио свойства в 'указанном выше смысле и малую чувствительность к изменениям параметров в темпе от процесса к процессу.
Для выполнения этой цели в диссертации решаются специальные задачи:
-найти алгоритм разделения движений, пригодный для указанних целей, когда медленная составляющая соответствовало би желаемым движениям, а в быстрых движениях проявлялись бы нестационарное^.? объекта,
-найти алгоритм» выбора структуры и параметров регулятора, наиболее ириомломш .для инженеров»
Поставим задачу найти простив достаточные условия, при выполнении которых гарантируется заданное располозение корней, соответствующих бистрім движениям, в заданной области.
Рассмотреть возможность учета интервальных значений параметров объекта.
Мсодаловдтъ применимость разработанных регулятори в случаях действия больших нозмущоний. т.п. в случаях, когда восможго вхоа-
допив исполнительных органов в насыщение.
Мвтод должон допускать применимость к объектам непрерывным и дискретним, одноканальним и многоканальным, к системам с периодически изменяющимися параметрами (например, с гармонической модуляцией), о также к объектам, передаточные функции которых есть полиномы от дробной степени оператора з.
Методы неслодований. При выполнении исследований в работе использовался аппарат операционного исчисления, теория полиномиальных матриц, интервальная математика, теории устойчивости, теория оптимального управления, математический аппарат по принципу разделения движений. При анализе линейных моделей, режимов их работы применялась теория математического моделирования. Для численного модолироваішя использовались стандартные пакеты программ и программы, разработанные на кефодре автоматики, как под непосредственным руководством автора, так и под совместным с проф. А.С. Вострикошм. Проверка адиісватности и эффективности предложенных алгоритмов производилась путем моделирования на ЭВМ, натурных экспериментов и окспоримонталыюй проверки на реальном оборудовании.
Основные научные результаты и их новизна. Решена задача разработки метода синтеза линейных систем управления, малочувствительных к изменениям параметров объекта и обеспечивающих требуемые динамические свойства системы, которио задаются в виде линейного дифівренцивльноію уравнения. Получены следующие основные результаты.
. -Разработан метод разделения движений для синтеза линейных регуляторов, оогодишшдай простоту модальных методов и преимущества систем, работающих по пршщипу локализации возмущений. Мвтод состоит в искусственном введении в регулятор малых параметров таким образом, чтобы система обладала требуемыми динамическими свойствами при асимптотическом уменьшении малых параметров. Это позволяет, используя оригинальное обобщение интервальной арифметики и используя параметры Эйлера как достаточные условия заданного качества, получать значения параметров регуляторов, дающие наилучшие решения поставленной задачи.
-Предложенный метод разделения движений был применен для од ноканалышх и многоканальных непрерывных и дискретных систем, к си' "імам с гармоначоской модуляцией, к одному классу систем, описываема* иррациональными передаточными функциями. В результате Her-:- он. .1 получены расчетные соотношения, поэвлляющие синтеэиро-
-к-
вать регулятори заданного класса, обеспечивающие динамические свойство систем как порядка, равного порядку объекта, так и порядна, виню и ниже порядка объекта.
-Посредством ВВ9Д0ШІЯ малых параметров в правую часть регуляторов получены два алгоритма синтеза многоканальных Пй(Д) - регуляторов, которые могут бить испольооваїш в моменты пуска системі иди при больших скачках возмущений, т.е. на участках больших рассогласований сигналов "вход - выход".
-Предложен новый подход к исследованию многоканальных спетом с простейшими динамическими свойствами и о релейными элемоптами в каждом канале, сводящийся к переходу от фазового пространства к некоторому графу. Такиэ системы соответствуют предельным режимам работа исследуемого класса систем. Применение данного подхода позволяет получать достаточные условия устойчивости и алгоритмы оптимального управления.
Практическая ценность а внедрение результатов. Полученные в диссертации результата дают возможность существенно расширить область применимости принципа разделения движений на новые класса систем автоматического управления, в частности, на системи с гармонической модуляцией и системи, описываемые трансцендентными пэ-родаточними функциями, и значительно упростить гагчислитвльнуп сторону синтеза регуляторов в непрерывных и дискретных одпокапалышх и многоканальных системах автоматического управления. Том самім обеспечивается пригодность инженерного использования принципа разделения движений. Разработанные на основе нового метода разделении движений одяоканалыше и многоканальные регулятори, реализованные в аналоговом и цифровом исполнении, позволяют повысить экономичность управления технологическими процессами, повысить значения показателей качества технологических процессов за счет более точного поддержании требований к переходным процессам. В устройствах испытания изделий она позволяют уменьшить время испытания оборудования с одновременным улучшением качественных показателей проведения испытаний.
Внедрение результатов в промышленности подтверждено соответствующими актами и оправками о внедрении. Научные результаты и практические рекомендации диссертации иопользуются резрабатываици-ш и произподствотмми организациями при реализации алгоритмов автоматического упрявлвния непрерывными технологическим производствами, а токжа при создании устройств для испытания, идвнтифжа-
иди и контроля. Были реализованы и внедрены огштно-промншлвшшз пакеты программ по предложенным алгоритмам. Внедрение осуществлялось при выполнении под руководством и при непосредсваниом участии автора хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ, а также работ по научно-техническому содружеству с СЛЕША, ИАиЭ АН РФ, ИГД, НИИХТ г.Новосибирска, СКВ НЛО "Нефтехимавтоматика" г.Омск и на предприятиях заказчика. Результаты применялись в 12 хоздоговорных и госбюджетных работах со следу-вдими генетиками: разработка цифровой многосвязной системы управления нагрузкезшя конструкцій, разработка алгоритмов управления технологическим процессом производства изопрена, разработка системы управления производства керамической массы, разработке систомы регулирования режима проветривания шахты, разработка систем слеяю-рия и управлений для магнито-оптических дисков сверхбольшой емкости.
Суммарный годовой экономический аффект от внедрения результатов научных работ в промышленности, указанный в актах соответствующих предприятий (СИБНИА. г.Новосибирск, ИАиЭ СОАН РФ г. Новосибирск, ОКБМ при НЭВЗ г.Новосибирск, завод СК г.Волжск, НИШ' г.Новосибирск), превышает 140 тыс. рублей в ценах 1989г.
Научно-методические результаты, голученныо в диссертации, внедрены в учебный Процесс НГТУ (курсы "Теория автоматического управления", "Проектирование систем управления", студенческие научно-исследовательские работы, курсовое и дипломное проектирование ).
Апробация работа. Результаты работы представлялись п.- 8-й леждунаробних конференциях и семинарах, на 12-и Всесоюзних симпозиумах, конференциях, научно-технических совещаниях и конференциях с международным участием, на 3-х республшюиснш: конференциях и семинарах, на 4-х зональных конференциях и семинара*, в том числе на: 24 Intern. Wlssenschaitliches kolloqulm, 22 okt., DM?, )9?9: Нэяиународном семинаре "Оптические информационные технологии", Новосибирск, 1989; 4-ой международной конференции "PZU-9Q - Магии-то-оптическая память", Костенец, Болгария, 28-31 окт.л990; Proceedings the International иог-кзпор, Novosibirsk, USSR, 27 may J June, 1991; System Science 9.-Int. Conference on System Science. Wroclav, Polund, sept., 1992; международной конференции
"Актуальные Проблемы аЛеКТроННОГО Приборостроения Ш1ЭД1 CJ2'', ЙОІЇФ'-
сибирок, 23-26 сент. 19Э2; Inter. Workshop "SliftUlаг воїцііоа алЦ
- Ь~-
pertubations In control systems", Perealavl-Zalessky, liussla, aug. 23-27, 1993; 2-м международном семинаре ИФАК "Негладкие и разрывные задачи управления и оптимизации", Челябинск, май, 1933; 1-ом Все сошном симпозиуме "Проблемы идентификации не стационарных объектов з измерительной технике, Ленинград, 1972; Второй Всесоюзной школе - семинаре по технике адаптивних систем, Новокузнецк, 1Э76; Всесоюзной конференции "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ", 1977; 8-м Всесоюзном совещании по проблемам управления, 1977, Минск; 7-м Всесоюзном совещании по проблемам управления, Минск, 1977; 1-ой Всесоюзной межвузовской конференции "Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ ТП", Ленинград, 1978; 1-ой Всесоюзной конференции "Нестационарные процессы в катализе", Новосибирск, 1979; 2-ой Всесоюзной межвузовской конференции "Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ ТП", Ташкент, 1980; 2-ой Всесоюзной конференции "Микропроцессорные системы автоматики", Новосибирск, 1990; 1-ой Всесоюзной конференции "Координирующее управление в технических системах", 1991, п.Малый малк, Крым; Региональной конференции с международным участием "Проблемы электроники", Новосибирск, 1993; Научной конівреиции с международішм участием "Проблемы техшіки и технологий 21 века", Красноярск, 1994. Кроме того, материалы диссертации представлялись но ежегодных областных, городских конференциях и семинарах в период с 1972 по 1994 гг.
Публикации. По результатам исследований автором лично и в соавторстве опубликовано около 90 работ. Ссылка на основные 78 работ (в том числе три учебных пособия, три брошюра-препринта, изданные в СОАН СССР, и одна книга), из которых 22 депонированых, приведеш в диссертации. Кроме того, материалы диссертации отражены в 20 зарегистрированных хоздоговорных и госбюджетных отчетах. Опубликованные материалы полностью отражают содержание .диссертации.
Личный вклад автора. Во всех работах, опубликованных в соавторстве, автором дана постановка задачи, предложены основные идеи методов, алгоритмов и структур программных средств, получены аналитические выкладки и теоретические результаты. Соавторство, в осневвом, относится к конкретизации и детализации теоретических }«зультатов и идей для частных случаев, к разработке, испытании и тшодрпнию конкретных аппаратных и программных средств, к решении конкретных ларадю-хозяйственных задач.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми разделов, заключения, списка литературы и семи приложений. Она изложена на 352 страницах основного машинописного текста, проиллюстрирована 76 рисунками, 12 таблицам;*, список литературы из 328 наименований на 27 страницах и приложений на 55 страницах, в приложение вынесены акты внедрения и справки, подтверждающие отраслевое использование результатов работы, список хоздоговорных и госбюджетных отчетов, содержащих полученные результаты, таблицы основных соотношений для часто встречающихся регуляторов для одно-канальных, двух- и трехканальных систем, характеристика пакета программ, предназначенного для управления многоканальными системами, а также несколько вспомогательных оригинальных алгоритмов расчета регуляторов.
