Введение к работе
Актуальность работы определяется необходимостью разработки качественных систем автомагического управления для широкого класса объектов, включающих неминимально-фазовые, использующих последние достижения и результаты теории и практики построения современных систем управления. Качество системы управления может определяться различного типа ограничениями, которые отражают представления пользователя о качестве системы управления. В последние годы интенсивно развиваются системы предиктивного управления. Данные системы учитывают в своей структуре различные типы ограшгчений, обусловленных практическими потребностями и требованиями к качеству управления. Учет типов ограничений в системах с предиктивным управлением привел к необходимости конструирования целевых функций специального вида для расчета управляющих сигналов и к разработке специальных оптимизационных алгоритмов поиска наилучших управлений. Исследование особенно актуально в соврсмеаных рыночных условиях, поскольку преимущество приобретают регуляторы, позволяющие в большей степени учитывать требования и предпочтения пользователей.
Цель и задачи исследования, Целью работы является построение систем с предиктивным управлением при наличии различных типов ограничений, конструирование целевых функций специального вида, решение проблемы несовместности ограничений, разработка оптимизационных методов, которые минимизируют с достаточной точностью сложные целевые функции с узким оврагом и плоским дном в окрестности точки экстремума
В соответствии споставленной целью решаются следующие задачи исследования:
формирование и структурирование требований к системам с предиктивным управлением;
постановка задач оптимизации и конструирование целевых функций о учетом типов ограничений, обеспечивающих выполнение требований к системам с предиктивным управлением;
разработка подходов к управлению технологическими ограничениями и решению проблемы несовместности ограничений;
создание и выбор наиболее эффективных оптимизационных алгоритмов для систем с предиктивным управлением при наличии ограничений на основе анализа возможных постановок задач оптимизации;
разработка методики исследования предлагаемых алгоритмов и сравнения их с известными методами на оенэве вычислительного эксперимента;
создание систем с предиктивным управлением для неминимально-фазовых объектов управления.
Методы исследования. Исследования выполнены на основе теории систем с предиктивным управлением, теории оптимизации и математического программирования. В работе использовались методы разработки программного обеспечения на основе структурного программирования. Вычислительный эксперимент проводился в среде Matlab.
Научная новизна результатов. Основными научными результатами диссертации являются постановка оптимизационных задач для систем с предиктивным управлением при наличии ограничений, создание семейства специально сконструированных целевых функций и разработка методов их решения.
Новизна диссертации состоит в следующем:
структурированы требования к системам с предиктивным управлением, основанные на желаемом качестве управления;
предложены новые постановки задач оптимизации для систем с предиктивным управлением и сконструированы целевые функции, учитывающие различные типы ограничений, отражающие требования к качеству управления;
предложены подходы к управлению технологическими ограничениями, учитывающие специфику этих ограничений и проблему возможной несовместности ограничений;
разработаны новые эффективные алгоритмы поисковой оптимизации в классе методов деформируемых конфигураций для систем с предиктивным управлением при наличии ограничений. Приведена методика исследования эффективности предлагаемых алгоритмов и проведено их сравнение с известными методами;
- разработаны системы с предиктивным управлением для неминимально-
фазовых объектов.
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что в работе:
проведен анализ возможных практических ситуаций, на основе которого сконструированы целевые функции специального вида с учетом типов ограничений;
разработаны барьерные функции для управления технологическими ограничениями и комбинированные штрафные функции для решения проблемы несовместности ограничений в системах с предиктивным управлением.
Прастнчсская ценность диссертации определяется тем, что разработанные системы предиктивного управления применимы для автоматического управления параметрами широкого класса производств металлургической, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности, а предложенные алгоритмы безусловной и условной оптимизации и их программные реализации могут самостоятельно использоваться для решения прикладных оптимизационных задач,' целевая функция которых теряет свою гладкость.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
1. Конструирование целевых функций с учетом типов ограничений, отражаю
щих качество управления. Учет ограничений осуществляется посредством добавле
ния штрафного члена специального вида к стандартной целевой функции. Вид
штрафного члена определяется типом заданных ограничений.
-
Барьерные функции предлагается использовать для учета технологических ограничений в системах с предиктивным управлением. Однако, так как барьерные функции не предотвращают проблему возникновения несовместности ограничений, то предлагается использовать комбинировашгую штрафную функцию для устранения несовместности ограничений.
-
Разработаны новые для данного класса задач алгоритмы прямого поиска из класса методов деформируемых конфигураций для безусловной и условной оптимизации с ограничениями в виде равенств.
-
В качестве приложения представлены системы с предиктивным управлением для наиболее тяжелых в смысле управления неминимально-фазовых объектов.
Апробации работы. Основные положения и результаты работы нашли отражение в докладах и обсуждались на следующих международных конференциях:
- IX Международной конференции "Математические методы в химии и хи
мической технологии", Тверь, 1995;
- Международной научно-технической конференции "Структурная пере
стройка металлургии: экономика, экология, управление, технология", Новокузнецк,
1996;
Европейской конференции по управлению, Брюссель, Бельгия, 1997;
Международной научно-практической конференции "Управление большими системами - 97", Москва, 1997.
Публикации. По теме диссертации опубликовано б работ.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 111 наименовании. Основной текст занимает 184 машинописных страницы, и том числе 40 рисунков и I таблица.