Структурно-параметрический синтез системы граничного управления объектом с распределенными параметрами методами обратной динамики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Тычинин, Александр Викторович

• Тычинин, Александр Викторович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тычинин, Александр Викторович

Введение.

1 Проблема синтеза систем динамической компенсации характеристик объекта управления методами обратной динамики.

1.1 Современное состояние вопроса.

1.2 Постановка задачи исследования и общая схема ее решения.

1.3 Математическое моделирование объекта управления.

Выводы по главе 1.

2 Анализ и синтез системы динамической компенсации характеристик объекта с распределенными параметрами.

2.1 Структурный синтез устройств динамической компенсации

2.2 Оценка устойчивости синтезированной системы динамической компенсации.

2.3 Оценка качественных показателей и определение условий применимости синтезированной системы динамической компенсации .50 Выводы по главе 2.

3 Синтез системы управления, инвариантной к параметрическим возмущениям объекта с распределенными параметрами.

3.1 Синтез системы управления сосредоточенным выходом объекта с распределенными параметрами методами обратной динамики.

3.2 Оценка устойчивости, качественных показателей и определение условий применимости синтезированной системы управления.

3.3 Исследование степени инвариантности синтезированной системы к параметрическим возмущениям объекта управления.

Выводы по главе 3.

4 Синтез системы управления ненаблюдаемым выходом объекта с распределенными параметрами.

4.1 Способ синтеза системы управления ненаблюдаемым выходом ОРП и построение модели эталонной траектории для измеряемого значения функции состояния объекта на его геометрической границе.

4.2 Синтез системы граничного управления температурным полем объекта технологического нагрева.

4.3 Программные средства моделирования и управления.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурно-параметрический синтез системы граничного управления объектом с распределенными параметрами методами обратной динамики»

Диссертационная работа посвящена проблеме структурно-параметрического синтеза систем управления ненаблюдаемыми фазовыми координатами объекта с распределенными параметрами в условиях параметрической нестабильности.

Актуальность работы.

Современная теория управления располагает мощным математическим аппаратом для синтеза систем управления объектами с сосредоточенными выходными параметрами.

Большое число работ посвящено системам управления многомерными объектами и объектами с распределенными параметрами (ОРП).

В работах А.Г. Бутковского, А.И. Егорова, Ю.В. Егорова, Ж.Л. Ли-онса, К.А. Лурье, Т.К. Сиразетдинова, Э.Я. Рапопорта, В.А. Коваля, И.М. Першина А.И. Данилушкина, С.А. Горбаткова, М.Б. Коломейцевой, М.Ю. Лившица, Л.С. Зимина, П.И. Носова, Л.В. Синдякова, Н.И. Малеш-кина и др. получены принципиально важные результаты математического описания пространственно протяженных объектов и синтеза алгоритмов оптимального управления. Задачи синтеза сосредоточенных систем управления, адаптивных к возмущающим воздействиям, в том числе и параметрического характера, решались в трудах Л.М. Бойчука, П.Д. Крутько, В.К. Тяна и др.

Известные методы синтеза систем управления объектами с распределенными параметрами обладают рядом преимуществ, многие нашли широкое применение в промышленности. Но вопросы синтеза систем управления такими объектами в условиях параметрической нестабильности практически не рассматривались, при том, что все модели объектов и алгоритмы управления рассчитывались с учетом допущений о постоянных или кусочно-постоянных значениях физических параметров объекта. Еще одной проблемой является необходимость управления фазовыми координатами, которые могут оказаться ненаблюдаемыми.

Указанные недостатки связаны, прежде всего, со сложностью описания объектов с распределенными параметрами.

В случае синтеза системы управления процессом нагрева массивных заготовок допущение о постоянстве теплофизических параметров объекта вносит погрешность в математическое описание, поскольку эти параметры зависят от температуры и от однородности материала заготовок.

Что касается определения ненаблюдаемых параметров объекта, существует множество подходов к синтезу различных наблюдателей и анализаторов, но все основаны на аналитических расчетах с допущением постоянства физических параметров объекта.

Сказанное определяет актуальность задачи разработки систем управления ОРП с ненаблюдаемыми фазовыми координатами в условиях параметрической нестабильности характеристик объекта.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов структурно-параметрического синтеза системы управления ОРП с ненаблюдаемыми фазовыми координатами в условиях параметрических возмущений.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка реализуемых динамических структур, близких к обратной передаточной функции распределенного объекта с граничным управлением первого рода.

2. Определение эталонной траектории изменения измеряемого выхода объекта, обеспечивающей требуемый характер поведения ненаблюдаемой фазовой координаты.

3. Структурно-параметрический синтез методом обратных задач динамики систем граничного управления ОРП параболического типа с выходом по ненаблюдаемым фазовым координатам.

4. Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления процессом нагрева массивных заготовок.

5. Компьютерное моделирование процессов граничного управления объектами с распределенными параметрами.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, аппарата преобразований Лапласа, теории теплопроводности, теории автоматического управления, структурного моделирования объектов с распределенными параметрами, методы обратных задач динамики и компьютерного моделирования.

Научная новизна. Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления о методах структурно-параметрического синтеза систем управления объектами с распределенными параметрами параболического типа. Полученные в работе результаты позволяют эффективно решать инженерные задачи построения высококачественных систем управления объектами технологического нагрева. В диссертации получены следующие основные результаты, отличающиеся научной новизной:

1. Разработана реализуемая динамическая структура, моделирующая обратную передаточную функцию ОРП с управлением по граничным условиям первого рода, отличающаяся использованием в этих целях цепной схемы включения динамических компенсаторов.

2. Выполнен структурно-параметрический синтез системы граничного управления ОРП с выходом по ненаблюдаемым фазовым переменным, базирующийся, в отличие от известных подходов, на методах обратных задач динамики управляемых систем.

3. Установлена высокая степень инвариантности синтезируемой системы к параметрическим возмущениям характеристик объекта управления.

4. Предложены новые структуры систем граничного управления объектами технологического нагрева с неполным измерением состояния по наблюдаемым температурам, синтезируемые, в отличие от известных, методами обратной динамики.

Практическая ценность диссертационной работы определяется следующими результатами:

- разработано специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение процедур синтеза систем управления объектами с распределенными параметрами параболического типа методами обратной динамики;

- предложены реализуемые структуры замкнутых систем управления распределенными функциями состояния ОРП с обратными связями по наблюдаемым выходам объекта;

- обоснована целесообразность практического применения разработанных способов построения систем управления ОРП;

- разработана инженерная методика синтеза систем управления процессами технологического нагрева с обратными связями по измеряемым температурам поверхности нагреваемых тел, обеспечивающих выполнение заданных требований к поведению температурного поля в условиях параметрической нестабильности характеристик объекта.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в проектных разработках перспективных систем управления технологическим оборудованием в ООО «Самаранефтеавтоматика» (г. Самара) и в учебном процессе при подготовке в СамГТУ инженеров по специальности «Управление и информатика в технических системах» и магистров техники и технологии по направлению «Автоматизация и управление».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2003), X Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2004), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации.» (Новосибирск, 2004), Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара 2004), V Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Полет» (Киев, 2005), VI Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование» (Санкт-Петербург, 2005), II Всероссийской научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» (Уфа, 2005), XII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано И печатных работ, в том числе 1 в журнале из перечня, рекомендованного ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 110 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 81 наименования и 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Тычинин, Александр Викторович

Выводы по главе 4

1. Выполнен синтез системы управления ненаблюдаемой координатой объекта с распределенными параметрами. Рассматривается процесс нагрева массивной неограниченной пластины по толщине. В качестве материала для нагреваемой заготовки использован сплав Д16.

2. Построена модель объекта относительно точки с пространственной координатой х=0 для граничного управления по температуре поверхности. Решена краевая задача первого рода.

3. Найдена структура, моделирующая приближенную обратную передаточную функцию объекта. При подаче на вход структуры требуемого закона изменения температуры в точке х—0 на выходе оказывается требуемый закон изменения граничной температуры заготовки.

4. По полученным результатам построена эталонная модель граничной температуры заготовки.

5. Построена модель объекта управления для граничной координаты и граничного управления по температуре печи — краевая задача третьего рода.

6. Для построенной модели объекта синтезирована система управления решением обратной задачи динамики. Эталонной моделью для системы послужила полученная ранее эталонная модель температуры граничной координаты заготовки.

7. Синтезированная система имеет обратную связь только по граничной температуре и обеспечивает ее следование по эталонной траектории даже в условиях параметрических возмущений объекта.

8. Определены правила задания требований к поведений ненаблюдаемой координаты объекта из соображений равномерного нагрева заготовок.

9. Разработано прикладное программное обеспечение, моделирующее двухуровневую АСУ ТП нагрева заготовок в газовых печах.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Предложена построенная на основе цепной схемы включения динамических компенсаторов реализуемая динамическая структура, моделирующая обратную передаточную функцию объекта с распределенными параметрами параболического типа с управлением по граничным условиям первого рода.

2. Определена эталонная траектория изменения измеряемого выхода объекта, обеспечивающая требуемый характер поведения ненаблюдаемой фазовой координаты.

3. Методами обратной динамики выполнен структурно-параметрический синтез малочувствительных к параметрическим возмущениям систем граничного управления ненаблюдаемыми выходами параболических объектов с распределенными параметрами.

4. Предложены и реализованы построенные методами обратной динамики структуры систем граничного управления распределенными объектами технологического нагрева с неполным измерением состояния по наблюдаемым температурам.

5. Разработано специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение предлагаемых процедур синтеза и компьютерного моделирования систем управления объектами с распределенными параметрами методами обратной динамики.

Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления о методах структурно-параметрического синтеза систем управления объектами с распределенными параметрами параболического типа. Полученные в работе результаты позволяют эффективно решать инженерные задачи построения высококачественных систем управления объектами технологического нагрева.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тычинин, Александр Викторович, 2008 год

1. Андреев Ю.Н. Оптимальное проектирование тепловых агрегатов. — М.: Машиностроение, 1983. 229 с.

2. Алексеев В.М., Тихомиров В.М., Фомин C.B. Оптимальное управление. -М.: Наука, 1979. 429 с.

3. Бойчук JI.M. Метод Метод структурного синтеза нелинейных систем автоматического управления — М.: Энергия, 1971

4. Бутковский А. Г. Методы управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1975. - 588 с.

5. Бутковский А.Г. Структурная теория распределённых систем. — М., Наука, 1977.

6. Бутковский А.Г. Теория оптимального управления системами с распределёнными параметрами. М.: Наука, 1965. — 474 с.

7. Бутковский А.Г. Характеристики систем с распределёнными параметрами М., 1979.

8. Бутковский А.Г., Малый С.А., Андреев Ю.Н. Оптимальное управление нагревом металла. М.: Металлургия, 1972, 439 с.

9. Бутковский А.Г., Малый С.А., Андреев Ю.Н. Управление нагревом металла. -М.: Металлургия, 1981, 271 с.

10. Бутковский А.Г., Пустыльников JI.M. Теория подвижного управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1980, 384 с.

11. Васильев Ф.П. Методы решения экстремальных задач.//М.: Наука, 1981, 400 с.

12. Вигак В.М. Оптимальное управление нестационарными температурными режимами. Киев.: Наук, думка, 1979, 360 с.

13. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. -М.: Наука, 1981

14. Воронов A.A. Введение в динамику сложных управляемых систем. — М.: Наука, 1985, 352 с.

15. Воронов A.A., Титов В.К., Новоградов Б.Н. Основы теории автоматического регулирования и управления. М.: «Высшая школа», 1977.-519с.

16. Гитгарц Д.А. Автоматизация плавильных электропечей с применением микро-ЭВМ. М: Энергоатомиздат, 1984. - 136 с.

17. Григолюк Э.И., Подстригач Я.С., Бурак Я.И. Оптимизация нагрева оболочек и пластин. Киев: Наукова думка, 1979. — 364 с.

18. Данилушкин А.И. Оптимальное управление процессом индукционного непрерывного нагрева: Автореф. дисс. канд. техн. на-ук.//Ленинград, 1979. 16 с.

19. Данилушкин А.И. Оптимальное управление процессом индукционного непрерывного нагрева: Автореф. дисс. канд. техн. наук.//Ленинград, 1979. — 16 с.

20. Дёч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z-преобразования М., 1971.

21. Дидук Г.А., Золотов О.И., Пустыльников Л.М. Специальные разделы теории автоматического регулирования и управления (теория СРП). Учебное пособие. СПб.: СЗТУ, 2000

22. Диткин В.А., Прудников А.П. Операционное исчисление. — М.: Высшая школа, 1975. 408 с.

23. Егоров А.И. .Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами. М.: Наука, 1978. - 464 с.

24. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твёрдых тел. М., Высшая школа, 1985.

25. Коваль В.А. Спектральные методы анализа и синтеза распределёнными системами управления. — Саратов, СГТУ, 1997. — 192 с.

26. Коломейцева М. Б. Методология и опыт применения цифрового моделирования для оптимизации процессов промышленного нагрева металла: Автореф. дис. доктора техн. наук. — М., 1986. — 37 с.

27. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М., Наука, 1968.

28. Ким Д.П. Теория автоматического управления. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004-464 с.

29. Колмогоров А.Н. Фомин C.B. Элементы теории функций и функционального анализа. — М.: Наука, 1981

30. Кошляков Н.С. Глинер Э.Б. Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Наука, 1970

31. Круашвили З.Е. Автоматизированный нагрев стали. М.: Металлургия, 1973.-327 с.

32. Крутько П.Д. Обратные задачи динамики управляемых систем. Линейные модели. М.: Наука, 1987. — 304 с.

33. Крутько П.Д. Обратные задачи динамики в теории автоматического управления: Машиностроение, 2004.—576 с

34. Лившиц М.Ю. Разработка и исследование адаптивной системы оптимального управления процессом индукционного нагрева металла с прогнозирующей моделью: Автореф. дис. канд. техн. наук. — Москва, 1982.- 19 с.

35. Лившиц М.Ю. Теория и алгоритмы оптимального управления термодиффузионными процессами технологической теплофизики по системным критериям качества: Автореф. дис. докт. техн. наук. — Самара, 2001. -46с.

36. Лурье К.А. Оптимальное управление в задачах математической физики. М., Наука, 1975, 480 с.

37. Лукас В.А Теория автоматического управления. М.: «Недра», 1990. -416 с.

38. Лурье К.А. Оптимальное управление в задачах математической физики. М., Наука, 1975, 480 с.

39. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М., Высшая школа, 1967, 599 с.

40. Маковский В.А. Динамика металлургических объектов с распределенными параметрами М., Металлургия, 1971, 384 с.

41. Мартыненко H.A., Пустыльников Л.М. Конечные интегральные преобразования и их применение к исследованию систем с распределенными параметрами М.: Наука 1986.

42. Малый С.А. Экономичный нагрев металла- М., Металлургия, 1967, 191 с.

43. Менский Б.М. Принцип инвариантности в автоматическом регулировании. -М.: Машиностроение, 1972, 235 с.

44. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.

45. Оськин А.Ф., Павлов H.A. К вопросу оптимизации режима нагрева заготовок прямоугольной формы.// Изв. ЛЭТИ, 1973, вып. 114. -С. 46-52.

46. Павлов H.A. Инженерные тепловые расчеты индукционных нагревателей. М.-Л.: Энергия, 1978. 120 с.

47. Первозванский A.A. Курс автоматического управления. М.: «Наука», 1986.-367 с.

48. Плешивцева Ю.Э. Разработка и исследование пространственно-временных алгоритмов оптимального управления технологическими процессами тепломассопереноса: Автореф. дис. канд. техн. на-ук.//Самара, 1996. 20 с.

49. Подлесный Н.И., Рубанов В.Г. Элементы систем автоматического управления и контроля. Киев.: «Вища школа», 1982.-477 с.

50. Поляк Б.Т. Введение в оптимизацию. — М.: Наука, 1983.—384 с.

51. Рапопорт Э.Я. Альтернансный метод в прикладных задачах оптимизации. М.: Наука. 2000 - 336с.

52. Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. М.: Металлургия, 1993. - 279 с.

53. Рапопорт Э.Я. Системы подчинённого регулирования электроприводов постоянного тока: Конспект лекций. — Куйбышев, КПтИ, 1985. — 56 с.

54. Рапопорт Э.Я. Структурное моделирование объектов и систем управления с распределенными параметрами: Учеб. пособие. — М.:Высш.шк., 2003. 299 с.

55. Рапопорт Э.Я. Анализ и синтез систем автоматического управления с распределенными параметрами: Учеб. пособие. — М.:Высш.шк., 2005. 292 с.

56. Рапопорт Э.Я., Сабуров В.В. Задача оптимального быстродействия для нагрева массивного тела при граничных условиях второго рода. // Системы электропривода и автоматики. Куйбышев: Изд. КПтИ, 1969.-С. 107-119.

57. Рапопорт Э.Я., Тян B.K. Достижение заданной инвариантности в стохастических системах комбинированного управления. // Куйбышевский политехнический институт. Деп. В ВИНИТИ 20.06.89, №4089-В89

58. Рей У. Методы управления технологическими процессами: Пер. с англ. -М., Мир, 1983.

59. Синдяков JI.B. Оптимизация энерготехнологических характеристик установившихся режимов работы индукционных установок непрерывного дейстаия для нагрева стальных заготовок: Автореф. дисс. канд. техн. наук.//Ленинград, 1984. 19 с.

60. Сиразетдинов Т.К. Оптимизация систем с распределенными параметрами. Наука, М., 1977, 480 с.

61. Табак Д, Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование. //М.: Наука, 1975, 279с.

62. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. — М.: Металлургиздат, 1962. -561 с.

63. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. -М.:Наука, 1966.-724 с.

64. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач -М.:Наука, 1979.

65. Тихонов А.Н., Гончаровский A.B., Степанов В.В., Ягола А.Г. Численные методы решения некорректных задач — М.:Наука, 1990.

66. Тихонов А.Н., Кальнер В.Д., Гласко В.Б. Математическое моделирование технологических процессов и метод обратных задач в машиностроении — М. Машиностроение, 1990.

67. Тычинин A.B. Достижение заданной инвариантности в цифровых системах автоматического управления. — Материалы Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Интеллектуальные системы управления и обработки информации", Уфа: УГАТУ, 2003, с. 104.

68. Тычинин A.B. Синтез компенсационного регулятора решением обратной задачи динамики. Полет-2005// материалы V Международной научной конференции студентов и молодых ученых. Киев: НАУ, 2005., с. 128.

69. Тычинин A.B., Тян В.К. Учет параметрических возмущений в задачах распределенного нагрева. — Компьютерное моделирование 2005// труды VI Международной научно-технической конференции. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2005. с. 347-351.

70. Тычинин A.B., Тян В.К. Синтез адаптивной системы комбинированного управления. — Мехатроника, автоматизация, управление 2005// труды II Всероссийской научно-технической конференции, Уфа 2005, 445 с. 155-161

71. Тычинин A.B. Методы обратных задач динамики в задачах синтеза систем управления распределенным объектом. — Вестник СамГТУ, серия «Технические науки», № 39 2005, с. 21 — 25.

72. Тычинин A.B. Адаптивность в задачах синтеза систем управления распределенным объектом. — Современные техника и технологии СТТ'2006// труды XII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск 2006, с. 188189.

73. Тян В.К. Теория периодических структур в некорректных задачах синтеза инвариантных и автономных систем управления // Вест. Са-мар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. 2006. Вып. 41. С. 47-54.

74. Тян В.К, Структурное представление обратного оператора в банаховом пространстве // Вест. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Физико-математические науки. 2007. Вып. №1(14). С. 197-199.

75. Федоренко Р.П., Приближенное решение задач оптимального управления. М.: Наука, 1978, 487с.

76. Фельдбаум A.A. Основы теории оптимальных автоматических систем. М.: Наука, 1966, 624 с.

77. Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Tl. М.: Наука, 1962, 608 с.

78. Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. ТЗ. М.: Наука, 1966, 656 с.