Анализ и синтез самонастраивающихся релейных систем управления с переменным гистерезисом




Скачать 258.67 Kb.
НазваниеАнализ и синтез самонастраивающихся релейных систем управления с переменным гистерезисом
страница1/3
Дата16.09.2012
Размер258.67 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3

На правах рукописи




РАГАЗИН Дмитрий Александрович




анализ и синтез самонастраивающихся релейных систем управления с переменным гистерезисом


Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление

и обработка информации (промышленность)


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук







Самара - 2011



Работа выполнена на кафедре «Автоматика и управление в технических системах» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».


Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Вохрышев Валерий Евгеньевич


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кузнецов Павел Константинович

кандидат технических наук

Сергеев Антон Владимирович


Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук «Институт проблем управления сложными системами РАН», г. Самара


Защита диссертации состоится 27 декабря 2011 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д212.217.03 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская 141, корпус №6, аудитория №33.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: г. Самара, ул. Первомайская,18.


Отзывы и на автореферат в двух экземплярах просим присылать по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», главный корпус на имя ученого секретаря диссертационного совета Д212.217.03.


Автореферат разослан ___ ноября 2011 г.


Ученый секретарь диссертационного

совета Д212.217.03, к.т.н., доцент Губанов Н.Г.


Общая характеристика работы

Диссертация посвящена разработке специального класса релейных самонастраивающихся систем автоматического регулирования с переменной гистерезисной характеристикой релейных элементов в алгоритмах управления.


Актуальность работы

В характерных для многих технических приложений условиях неполноты исходной информации о свойствах объекта управления и ограниченном доступе к измерительной информации о его состоянии возникает актуальная проблема построения в такой ситуации систем автоматического регулирования, обладающих статическими и динамическими характеристиками, достаточно близкими к оптимальным по заданным критериям эффективности. В этих целях широко применяются самонастраивающиеся алгоритмы, обеспечивающие высокие качественные показатели функционирования системы путем использования дополнительного объема рабочей информации, получаемой в ее замкнутом контуре.

Несмотря на известные достижения в отрасли разработки самонастраивающихся систем (СНС), задача поиска простых и практически эффективных законов и алгоритмов субоптимального управления в условиях параметрической и структурной неопределенности характеристик объекта сохраняет свою актуальность. В этом отношении большой интерес представляют широко применяемые на практике релейные системы автоматического управления динамическими объектами, обладающие простотой конструкции, алгоритмической и программной реализации, высоким быстродействием, надежностью и высокой степенью инвариантности к вариациям параметров объекта. Существенным преимуществом релейного управления является также возможность получения заданных динамических свойств системы при значительном упрощении исполнительных управляющих устройств. Изучением релейных автоматических систем, в том числе и самонастраивающихся, в разное время занимались многие специалисты в области нелинейной динамики, теории и практики автоматического регулирования и управления (А, А. Кампе-Немм, А.С. Клюев, Б. Н. Петров, М. В, Старикова, С. В. Емельянов, Ю. В, Долголенко, Ю. И. Неймарк, Г. С. Поспелов, Б. Н. Наумов, Р. А. Нелепин, С. М. Федоров, А.Л.Фрадков, Е. Н. Розенвассер, P. М. Юсупов, Е. И. Хлыпало, С. Н. Шаров, А, А. Вавилов, Я. 3. Цыпкин, Д. X. Имаев, а также зарубежные авторы Дж, Тэлер (G. J. Thaler), М. Пестель (M.R.Pastel), D.P. Atherton, В, Hamel, I. Flugge-Lotz и др.), в работах которых получен целый ряд научных результатов, расширяющих возможности релейных СНС.

Тем не менее, существующие резервы в отрасли построения релейных систем с самонастраивающимися алгоритмами управления далеко не исчерпаны. В частности, существующий класс релейных систем с переменной гистерезисной характеристикой изучен недостаточно. Настоящая диссертационная работа посвящена дальнейшему совершенствованию методов и средств реализации самонастраивающихся релейных систем применительно к релейным элементам с переменной гистерезисной характеристикой в алгоритме управления.

Диссертация выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект №2.1.2/4236).


Целью работы является разработка и исследование реализуемых на промышленных контроллерах самонастраивающихся дискретно-непрерывных и релейных автоколебательных систем автоматического регулирования с переменным гистерезисом в алгоритме управления при ограниченном доступе к измерительной информации о состоянии системы.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

  1. Разработка самонастраивающихся автоколебательных систем автоматического регулирования с переменным гистерезисом релейной характеристики в алгоритме управления, функционирующих в условиях параметрической и структурной неопределенности математических моделей объекта.

  2. Разработка дискретно-непрерывных, субоптимальных по заданным критериям эффективности систем управления динамическими объектами, построенных на основе релейных регуляторов с переменным гистерезисом их статических характеристик.

  3. Цифровое моделирование элементов, алгоритмов и систем автоматического управления с переменным гистерезисом характеристик релейных регуляторов.

  4. Разработка программного обеспечения промышленных контроллеров для реализации разработанных алгоритмов и систем автоматического управления.


Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы линейной теории автоматического управления, анализа и синтеза релейных систем автоматического регулирования, аналитического конструирования агрегированных регуляторов, цифрового и компьютерного моделирования.


Научная новизна. Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления в области построения релейных и дискретно-непрерывных систем автоматического управления, работающих в условиях неполного измерения состояния объекта.

В диссертации получены следующие основные результаты, отличающиеся научной новизной:

  1. Релейный регулятор с самонастраивающейся гистерезисной характеристикой для управления линейными нестационарными системами в условиях параметрической неопределенности моделей объекта, формирующий, в отличие от известных, алгоритм управления с обратной связью по локальным экстремумам сигнала ошибки, который позволяет получить требуемые характеристики процесса автоматического регулирования при ограниченном объеме измерительной информации о состоянии системы.

  2. Структуры дискретно-непрерывных систем управления нестационарными динамическими объектами, отличающиеся от известных совместным функционированием непрерывного и релейного регулятора с переменным гистерезисом и зоной нечувствительности, которые обеспечивают субоптимальный характер процессов управления по различным критериям качества в зависимости от уровня отклонений регулируемой величины от заданных значений.

  3. Самонастраивающиеся алгоритмы управления в релейных системах с переменным гистерезисом, использующие, в отличие от известных, информацию об экстремальных значениях регулируемых величин, за счет чего обеспечивается стабилизация амплитуды автоколебаний и их симметрия относительно заданного конечного состояния в условиях неопределенности значений параметров объекта.

  4. Методом компьютерного моделирования доказана эффективность предложенных регуляторов, обеспечивающих достижение целевых показателей при управлении объектами с нестационарными параметрами при наличии значительных внешних возмущений.


Практическая полезность диссертационных исследований определяется следующими результатами:

- разработаны простые и эффективные релейные и дискретно-непрерывные самонастраивающиеся системы управления, субоптимальные по совокупности переменных критериев оптимальности, которые могут применяться для автоматического регулирования управляемых функций состояния динамических объектов различного технического назначения с неопределенными параметрами без использования производных в алгоритме управления;

- разработано специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение для моделирования, анализа и синтеза самонастраивающихся алгоритмов и систем с изменяющимся гистерезисом характеристик релейных регуляторов;

- обоснована целесообразность практического использования разработанных методов построения самонастраивающихся систем управления релейными регуляторами специального типа.


Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы при разработке системы автоматического управления установкой стабилизации газового конденсата ЗАО «НВФ Грифон» Покровского участка Оренбургской области, при управлении системами водо и теплоснабжения в ООО «Спецпроектсервис» (г. Самара), при автоматизации цеховой системы нагрева воздуха на Самарском металлургическом заводе (г. Самара), а также в учебном процессе ГОУ ВПО СамГТУ при подготовке инженеров по специальности 22.02.01 «Управление и информатика в технических системах», бакалавров и магистров техники и технологий по направлению 22.02.00 «Автоматизация и управление».


Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Информационно-измерительные и управляющие системы» (ИИУС-2010) (Самара, 2010 г) и научно-технических семинарах в Самарском государственном техническом университете (2007-2009 г.г.). По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 102 наименования, содержит 76 рисунков, пять приложений, три из которых подтверждают внедрение полученных результатов.


На защиту выносятся следующие положения:

- Алгоритм управления с самонастраивающейся гистерезисной характеристикой в релейных системах автоматического регулирования с обратной связью по локальным экстремумам сигнала ошибки:

- Метод структурного синтеза субоптимальных по изменяющимся в зависимости от уровня сигнала ошибки критериям качества дискретно-непрерывных систем управления, построенных на основе релейных регуляторов с зоной нечувствительности и переменной гистерезисной характеристикой;

- Самонастраивающиеся алгоритмы управления в релейных системах с переменным гистерезисом, обеспечивающие стабилизацию амплитуды автоколебаний и их симметрию относительно заданного конечного состояния объекта в условиях параметрической неопределенности его характеристик;

- Результаты численного моделирования процессов управления в самонастраивающихся релейных системах с переменным гистерезисом;

- Программное обеспечение промышленных контроллеров для технической реализации предложенных алгоритмов и систем автоматического управления.


Основное содержание диссертации:

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, рассматривается состояние ее научной разработанности, формулируются цели и конкретные задачи работы, определяются методы исследования, выявляются научная новизна, теоретическая и практическая значимость результатов исследования, дается характеристика основных положений, выносимых на защиту.

Первая глава посвящена анализу статических и динамических характеристик релейных систем, законов и алгоритмов их управления, а также изучению и исследованию особенностей динамики релейных систем в условиях действия сигнальных и параметрических возмущений. Релейный регулятор в автоколебательной системе рассматривается как модулятор, высокочастотное воздействие на входе релейного элемента - как сигнал несущей частоты, а входные низкочастотные сигналы (задающее воздействие, постоянно действующие возмущения) – как модулирующие сигналы. Показано расчетами и цифровым моделированием, что при несимметричном управлении и действии сигнальных возмущений в релейной системе возникает неустранимая статическая ошибка, понимаемая как отклонение среднего значения автоколебаний регулируемой координаты от своего заданного значения (уставки) в установившемся и переходном режимах работы. Подтверждено, что при действии как параметрических, так и сигнальных возмущений показатели качества управления могут выходить за пределы допустимых ограничений, как в переходном, так и установившемся режимах работы. При этом возможности управления параметрами автоколебаний в системе при использовании алгоритмов, реализованных в известных релейных управляющих устройствах, оказываются ограниченными или вообще невозможными, если исполнительный механизм работает по принципу «включено-выключено», «открыто-закрыто».

Организация скользящего режима в релейной системе позволяет повысить точность в установившемся режиме работы системы, но существенно усложняет управление требованием доступа к вектору состояния, не устраняет ошибки, обусловленной постоянно действующими возмущениями, и увеличивает динамическую ошибку в переходном процессе.

Вторая глава посвящена разработке, анализу и исследованию статических и динамических характеристик релейных систем с переменными гистерезисными характеристиками, законов и алгоритмов их управления, а также изучению и исследованию особенностей их динамики в условиях действия сигнальных и параметрических возмущений.

Под «переменным гистерезисом» в настоящей работе понимается релейная гистерезисная характеристика в алгоритме управления с границами зоны гистерезиса, линейно зависящими от уровня входного сигнала.

Релейные системы с переменным гистерезисом, основанные на использовании в обратной связи только регулируемой координаты и ее экстремальных значений, позволяют получить практически тот же результат (при некоторых несущественных для практики ограничениях), что и при наличии производных в законе управления, что существенно упрощает их техническую и алгоритмическую реализацию.

В работе обоснованы, исследованы и изучены существенные особенности процессов в динамических системах, содержащих линейный объект и регуляторы с релейным законом управления следующего вида:


, (1)

с функцией переключения

, (2)

Здесь:

- заданное конечное значение регулируемой координаты x(t);

- постоянный коэффициент, -1<k<1;

В - максимальная величина управляющего воздействия.

- ближайшие к рассматриваемому моменты времени t экстремальные значения x(t) (локальные максимумы или минимумы ), достигаемые в момент <t на предшествующей стадии процесса управления и фиксируемые по принципу запоминания экстремума в системах экстремального регулирования:

(3)

где >0


a

б


а – принцип формирования, б – пример переходной характеристики

Рисунок 1 – Формирование xe(t).

Согласно (2) и (3) получаем гистерезисную характеристику u(x) алгоритма управления (1) (рис. 2).

(4)



- знак дизъюнкции

В соответствии с (1)-(4) ширина зоны гистерезиса и ее границы скачкообразно изменяются в процессе управления при появлении новых точек локальных экстремумов кривой x(t) переходного процесса.

Регулятор (1) при изменении коэффициента k в диапазоне 0<k<1 обеспечивает переключения управления с опережением по отношению к уставке , что равносильно введению производной в закон управления.

Управление


Рисунок 2 – Статическая характеристика релейного регулятора с переменным гистерезисом.

(5) (5)

реализует релейный закон с переменным гистерезисом и зоной нечувствительности шириной 2,

где

если ;

если ;

xH= -, xB= +;

Статическая характеристика регулятора (5) представлена на рисунке 3.

В
Рисунок 3 – Статическая характеристика релейного регулятора с переменным гистерезисом и зоной нечувствительности.
диссертации показано, что благодаря изменению настроек регулятора по величине B, k, , удается расширить функциональные возможности алгоритмов управления (1) и (3): в широких пределах изменять частоту и амплитуду автоколебаний в системе или осуществить их срыв, а также реализовать оптимальное по быстродействию управление линейными объектами второго порядка, обеспечив лишь одно переключение релейного элемента.

В работе исследованы процессы в релейных системах с переменным гистерезисом, сущность которых заключается в организации колебательного переходного процесса путем переключения управления на удалении от требуемого конечного состояния не только при равенстве регулируемой величины некоторому заданному значению, но и в точках экстремума кривой переходного процесса. Показано, что организация подобных режимов работы релейных систем управления, названных в диссертации квазискользящими, позволяет реализовать переходные процессы, близкие к монотонным, и обеспечить заданную точность в установившемся режиме работы при обеспечении симметричности автоколебаний. Расширяются также возможности неискаженной передачи модулирующего сигнала на входе объекта без использования дополнительных средств.

Вместе с тем, показано, что в релейных системах с переменным гистерезисом вибрационная линеаризация нелинейности, так же как и в релейных системах с другими типами регуляторов, не исключает наличия неустранимой статической ошибки в системе, вызванной как постоянно действующими возмущающими и несимметричными управляющими воздействиями, так и особенностями динамических характеристик объекта.
  1   2   3

Похожие:

Анализ и синтез самонастраивающихся релейных систем управления с переменным гистерезисом iconРазработка и исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах с переменным гистерезисом
Разработка и исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах
Анализ и синтез самонастраивающихся релейных систем управления с переменным гистерезисом iconПерегудов Ф. И., Тарасенко Ф. П. Введение в системный анализ
Сети связи. Типовые структуры. Иерархические структуры. Модели и методы системных исследований. Системный подход. Специфика процесса...
Анализ и синтез самонастраивающихся релейных систем управления с переменным гистерезисом iconПерегудов Ф. И., Тарасенко Ф. П. Введение в системный анализ
Сети связи. Типовые структуры. Иерархические структуры. Модели и методы системных исследований. Системный подход. Специфика процесса...
Анализ и синтез самонастраивающихся релейных систем управления с переменным гистерезисом iconАнализ и параметрический синтез стохастических систем управления
Работа выполнена в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) на кафедре «Информатика и...
Анализ и синтез самонастраивающихся релейных систем управления с переменным гистерезисом iconАналитический синтез позиционно-траекторных систем управления подвижными объектами
Специальность 05. 13. 01 – Системный анализ, управление и обработка информации (в машиностроении)
Анализ и синтез самонастраивающихся релейных систем управления с переменным гистерезисом iconСтруктурно-параметрический синтез нелинейных систем управления с дифференциальными бинарно- операторными связями
Специальность 05. 13. 01 – Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)
Анализ и синтез самонастраивающихся релейных систем управления с переменным гистерезисом iconОтчет о выполнении ниокр по теме: «Разработка комбинированных методов управления для повышения эффективности работы вращающейся печи»
Этап № «Синтез и анализ работы комбинированных систем управления печью в статике и динамке»
Анализ и синтез самонастраивающихся релейных систем управления с переменным гистерезисом iconПлан изданий учебной литературы, рекомендуемой умо к опубликованию в 2005 г. Направление подготовки
...
Анализ и синтез самонастраивающихся релейных систем управления с переменным гистерезисом iconСистемный анализ, онтологический синтез и инструментальные средства обработки информации в процессах интеграции профессиональных знаний
...
Анализ и синтез самонастраивающихся релейных систем управления с переменным гистерезисом iconУправления цикл
Учебник в 5-и тт.; 2-е изд., перераб и доп. Т. 3: Синтез регуляторов систем авто
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница