Разработка и исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах с переменным гистерезисом




Скачать 253.22 Kb.
НазваниеРазработка и исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах с переменным гистерезисом
страница1/3
Дата26.11.2012
Размер253.22 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3

На правах рукописи




РАГАЗИН Дмитрий Александрович




РАЗРАБОТКА И исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах

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» Государственного 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 21 марта 2011 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д212.217.03 ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская 141, корпус №6, аудитория №33.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ 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, ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», главный корпус на имя ученого секретаря диссертационного совета Д212.217.03.


Автореферат разослан «18» февраля 2011 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н., доцент Губанов Н.Г.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность работы. Одна из основных задач автоматического управления динамическим объектом заключается в эффективном гашении переходных процессов наилучшим образом в некотором смысле. Эта задача конкретизируется одним критерием оптимальности или совокупностью критериев, отражающих одинаково важные различные инженерные требования к качеству движения объекта в переходном процессе и установившемся режиме работы. Синтез оптимальных или субоптимальных управлений системами предполагает априорное знание математической модели объекта с той или иной степенью адекватности, отражающей истинную его динамику, а реализация синтезированного управления требует доступа к переменным состояния объекта. Вектор состояния, как правило, недоступен для прямого измерения, а его косвенное измерение или восстановление с помощью наблюдателей оказывается малоэффективным в тех случаях, когда имеет место неопределенность параметров объекта и среды. Идеализация математического описания объекта и недостаток информации о свойствах объекта и среды приводят к ухудшению качества функционирования системы управления, снижению точности, а нередко, и к полной потере ее работоспособности.

Устранить потери качества в подобных условиях, однако, оказывается возможным путем целенаправленного автоматического изменения параметров регулятора или его структуры с целью приближения математического описания системы к ее исходной модели. Эти изменения, интерпретируемые как процессы приспособляемости или адаптации управляющего устройства к меняющимся условиям работы системы, рассматриваются как дополнительные обратные связи, обеспечивающие компенсацию неопределенностей математической модели объекта. Большой класс адаптивных систем составляют самонастраивающиеся системы, цель которых состоит в поддержании заданного критерия качества процессов в нестационарной системе при отсутствии полного математического описания объекта управления.

Разработке теории, алгоритмов и систем адаптивного управления посвящено значительное число работ ученых в области автоматического управления (Я.З.Цыпкин, С.Д. Земляков, И.Б.Ядыкин, Б.Н.Петров, Ю.М.Козлов, Р.М.Юсупов, И.Н.Крутова, И.В.Мирошник, В.О.Никифоров, и др.).

Значительный подкласс самонастраивающихся систем (СНС) образуют релейные автоматические системы управления динамическими объектами, обладающие простой конструкцией, алгоритмической и программной реализацией, высоким быстродействием и надежностью. Существенным преимуществом релейного управления является также значительное упрощение исполнительных управляющих устройств, обеспечивающих возможность получения заданных динамических свойств системы при малых весах и габаритах. 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, Ґ. 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), Д.П,Атертон (D.P. Atherton), Б, Хамель (В, Hamel), И. Флюгге-Лотц (I. Flugge-Lotz) и др.

В последние годы развитие компьютерных технологий, разработка методов анализа и синтеза нелинейных систем позволили повысить качество результатов исследований, увеличить разнообразие исследуемых систем, привели к повышению интереса исследователей к переключающимся и гибридным системам, образованным подсистемами различных типов и уровней иерархии (Т.В.Туренко, С.В. Феофилов, И.С.Пестрякова и др.)

Несмотря на достижения в области проектирования самонастраивающихся систем задача поиска простых и практически эффективных законов и алгоритмов субоптимального в некотором смысле управления при ограниченном доступе к измерительной информации о состоянии системы в условиях неопределенности параметров объекта и среды является актуальной.

Данное диссертационное исследование выполнено в контексте современных направлений и подходов решения подобных задач и предлагает релейные и дискретно-непрерывные самонастраивающиеся алгоритмы автоматического управления динамическими объектами при неполной информации о состоянии объекта. Разработанные и исследованные алгоритмы базируются на модифицированных и исследованных автором законах и алгоритмах, реализованных в релейных регуляторах с переменным гистерезисом, использующих в обратной связи экстремумы регулируемой координаты.

Объект исследования – процессы, протекающие в замкнутых динамических системах.

Предмет исследования – процессы, законы и алгоритмы управления в релейных динамических системах с переменным гистерезисом в условиях неопределенности параметров объекта и среды.

Цель исследования - разработка и исследование самонастраивающихся релейных с переменным гистерезисом и дискретно-непрерывных законов и алгоритмов управления динамическими объектами при ограниченном доступе к измерительной информации о состоянии системы.

Реализация данной цели предполагает последовательное решение основных исследовательских задач:

  • проанализировать проблемы и методы построения релейных и релейных самонастраивающихся алгоритмов и систем управления динамическими объектами в аспекте достигнутых результатов и направлений их совершенствования;

- разработать и исследовать самонастраивающиеся алгоритмы управления автоколебательными релейными системами с переменным гистерезисом, работающими в условиях неопределенности параметров объекта и среды при симметричных и несимметричных управляющих воздействиях;

  • разработать и исследовать дискретно-непрерывные алгоритмы построения субоптимальных по совокупности критериев качества управлений линейными и нелинейными объектами, базирующиеся на алгоритмах управления релейными системами с переменным гистерезисом;

  • создать цифровые модели управляющих устройств с разработанными алгоритмами, провести вычислительные эксперименты и исследования процессов в динамических системах;

  • создать для промышленных контроллеров программы, реализующие разработанные и исследованные самонастраивающиеся алгоритмы управления.

Методы исследования. При решении поставленных задач и целей исследования использовались известные в теории автоматического управления математические методы анализа и синтеза, основанные на понятиях частотных характеристик, передаточной функции, переменных состояния. При исследовании многокритериальных систем использовался подход, основанный на алгоритмических методах синтеза и методе аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР); свойства автоколебательных систем с предложенными новыми алгоритмами управления исследованы методом гармонического баланса; результаты, полученные аналитически, проверены и исследованы методом цифрового моделирования.

Научная новизна. Впервые предложены, обоснованы и исследованы практически эффективные релейные с переменным гистерезисом и дискретно-непрерывные самонастраивающиеся субоптимальные по одному и по совокупности критериев качества алгоритмы и системы управления линейными и нелинейными объектами, отличающиеся от известных инвариантной к граничным условиям стратегией управления, которая заключается в переводе объекта из произвольного начального состояния в окрестность предписанного конечного за одно или несколько переключений управления (путем организации квазискользящего процесса) и стабилизации объекта в конечном состоянии в условиях неопределенности параметров объекта и среды.

Новизна предложенных самонастраивающихся релейных алгоритмов с переменным гистерезисом заключается также в том, что их реализация допускает использование неполной информации о состоянии объекта (только о регулируемой координате объекта или его ошибке) и обеспечивает за одно или несколько переключений управления перевод объекта в заданное конечное состояние путем организации симметричных относительно уставки автоколебаний с заданной амплитудой в условиях действия как параметрических, так и постоянно действующих сигнальных возмущений.

Новизна дискретно-непрерывных алгоритмов заключается в плавном без скачков согласовании параметров дискретного двухинтервального управления (при больших отклонениях регулируемой координаты от заданного конечного) с параметрами управления, действующего в зоне малых отклонений (в окрестности заданного конечного состояния), путем одновременного их формирования в процессе движения изображающей точки в заданное конечное состояние, а также в возможности модификации алгоритмов для построения различных классов систем. Алгоритмы базируются на методе синтеза оптимального по быстродействию управления с использованием в обратной связи экстремумов фазовых координат, методе аналитического конструирования агрегированных регуляторов, а также на модифицированных автором законах управления, реализованных в структурах нового

подкласса релейных регуляторов с переменным гистерезисом с зоной нечувствительности и без нее.

Новой является также разработанная в системе программирования контроллеров SOFTLOGIC в среде TRACE MODE®6 программа, реализующая исследованные алгоритмы. Программа выполнена в виде одного универсального модуля, изменением параметров которого можно осуществить преобразование алгоритмов управления в дискретно-непрерывные, релейные или непрерывные.

Практическая значимость. Разработаны простые и эффективные релейные и дискретно-непрерывные самонастраивающиеся субоптимальные по совокупности критериев оптимальности алгоритмы управления и программы их реализации, которые носят универсальный характер и могут применяться для автоматизации динамических объектов различной природы. Результаты исследований использованы при разработке системы автоматического управления температурным режимом в помещении и применены в автоматизированной системе управления установкой стабилизации газового конденсата.

Материалы исследований положены в основу спецкурсов по теории автоматического управления и используются в учебном процессе при подготовке инженеров и магистров в Самарском государственном техническом университете.

Апробация результатов работы осуществлена в виде научных публикаций и доклада на международной научной конференции в 2010 г, а также научно-технических семинарах в Самарском государственном техническом университете 2007, 2008 и 2009 г.г. Материалы исследования использованы при написании учебно-методического пособия «Исследование скользящих и квазискользящих процессов в релейных системах с переменным гистерезисом» (Самара,2008 г.).

По результатам исследования опубликованы восемь научных и методических работ, в том числе четыре в изданиях по списку ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 180 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 102 наименования, пяти приложений, три из которых подтверждают внедрение полученных результатов. Работа содержит 76 рисунков.

Основные положения, выносимые на защиту:

- алгоритм управления в автоколебательной самонастраивающейся системе с переменным гистерезисом со стабилизацией амплитуды автоколебаний, в отличие от известных, обеспечивающий их симметричность в условиях постоянно действующих сигнальных возмущений и неопределенности параметров объекта и среды;

- алгоритм управления в релейной самонастраивающейся системе с отрицательным переменным гистерезисом, позволяющий, в отличие от известных, обеспечить стабилизацию амплитуды автоколебаний и их симметричность относительно заданной величины при несимметричном управляющем воздействии в условиях неопределенности параметров объекта и среды;

- дискретно-непрерывный самонастраивающийся алгоритм управления динамическими объектами, обеспечивающий, в отличие от известных, плавное согласование параметров релейного управления при больших отклонениях регулируемой координаты от заданной величины с параметрами управления, действующего в заданной окрестности конечного состояния (в зоне малых отклонений), путем одновременного формирования этих управлений в процессе движения изображающей точки в фазовом пространстве системы в заданное конечное состояние;

- цифровые модели управляющих устройств, разработанных на основе предложенного алгоритма;

- результаты анализа квазискользящих процессов, возникающих в релейных системах с переменным гистерезисом и позволяющих организовать переходные процессы, близкие к монотонным;

- программы для промышленных контроллеров, реализующие предложенные алгоритмы.


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 переменным гистерезисом, законов и алгоритмов их управления, а также изучению и исследованию особенностей их динамики в условиях действия сигнальных и параметрических возмущений.

Релейные системы с переменным гистерезисом, основанные на использовании в обратной связи только регулируемой координаты и ее экстремальных значений, позволяют получить 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 релейными законами управления вида (1) и (3):

, (1)

где функция переключения

, (2)

- экстремальные значения регулируемой координаты (ее локальные максимумы или минимумы , возникающие под действием управляющих и возмущающих воздействий); - амплитуда регулируемой координаты;

- постоянный коэффициент, -1<k<1;

- знаковая функция, принимающая значения +1 или –1 в зависимости от знака функции переключения ;

В - величина управляющего воздействия.

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

Управление (3) реализует релейный закон с переменным гистерезисом и зоной нечувствительности

(3)

где

если ;

если ;

xHk-, xBk+;

- половина ширины зоны нечувствительности;

Благодаря изменению настроек управления (B, k, ), структуры и алгоритмов управления (1) и (3) удается расширить функциональные возможности алгоритмов: 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.

Организация впервые изученных и исследованных автором квазискользящих процессов в релейных системах с переменным гистерезисом, сущность которых заключается в организации колебательного переходного процесса путем переключения управления вдали от заданного конечного состояния не только в моменты равенства величины регулируемой координаты некоторому заданному значению, но и в моменты появления экстремумов регулируемой координаты, позволяет реализовать в системе переходные процессы, близкие к монотонным, и обеспечить заданную точность в установившемся режиме работы при симметричных автоколебаниях. 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:

Разработка и исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах с переменным гистерезисом iconАнализ и синтез самонастраивающихся релейных систем управления с переменным гистерезисом
Работа выполнена на кафедре «Автоматика и управление в технических системах» Федерального государственного бюджетного образовательного...
Разработка и исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах с переменным гистерезисом iconОтчет по теме «Исследование и разработка алгоритмов и математических моделей оператора в человеко-машинных нестационарных системах удаленного управления дифференцированным обучением пользователей пэвм»
Нестационарные алгоритмы реализации приближенных методов решения дифференциальных уравнений для описания действий оператора пэвм...
Разработка и исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах с переменным гистерезисом iconПрограмма по дисциплине основы теории управления
Эвм в системах управления; особенности математического описания цифровых систем управления, анализа и синтеза систем управления с...
Разработка и исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах с переменным гистерезисом iconТема диссертации
Разработка и исследование методов определения входных воздействий в цифровых системах управления
Разработка и исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах с переменным гистерезисом iconПрограмма вступительного испытания (собеседование/устный экзамен) по дисциплинам «Информационная безопасность и защита информации»
Формы представления моделей. Методы анализа и синтеза систем управления. Использование микропроцессоров и микро-эвм в системах управления....
Разработка и исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах с переменным гистерезисом iconРазработка и исследование моделей для принятия решений в системах управления запасами с учетом неполноты данных
Системный анализ, управление и обработка информации (вычислительная техника и информатика)
Разработка и исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах с переменным гистерезисом iconРеферат: Шайдуров А. Г. Исследование и разработка некоторых графических алгоритмов. Квалификационная работа на степень магистра наук по направлению «Математика. Прикладная математика»
Шайдуров А. Г. Исследование и разработка некоторых графических алгоритмов. Квалификационная работа на степень магистра наук по направлению...
Разработка и исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах с переменным гистерезисом iconРазработка и исследование алгоритмов синтеза конечных автоматов для автономных эволюционных аппаратных средств

Разработка и исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах с переменным гистерезисом iconЭволюция алгоритмов планирования задач
Данная работа посвящена рассмотрению процесса эволюции алгоритмов планирования в операционных системах семейства Linux и вопросам...
Разработка и исследование самонастраивающихся алгоритмов управления в релейных системах с переменным гистерезисом iconИсследование и разработка процесса индукционного нагрева трансформаторногомасла в системах регенерации
Рассматривается оригинальная энергосберегающая технология нагрева трансформаторного масла в системах регенерации, основанная на сочетания...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


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