Хобін Віктор Андрійович. Системи гарантуючого управління технологічними агрегатами: основи теорії, практика застосування

brief description

Хобін Віктор Андрійович. Системи гарантуючого управління технологічними агрегатами: основи теорії, практика застосування: дисертація д-ра техн. наук: 05.13.07 / Одеський національний політехнічний ун-т. - О., 2003.

Хобін В.А. Системи гарантуючого управління технологічними агрегатами: основи теорії, практика застосування. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.07 автоматизація технологічних процесів. Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2003.
Обґрунтовано об'єктивну необхідність розширення складу системоутворюючих функцій, що реалізуються САУ. Задача нової функції гарантувати, з наперед заданою імовірністю, дотримання обмежень, що накладено на регламентовані змінні об'єкту. Системи, що реалізують таку функцію, названо системами гарантуючого управління (СГУ). Їх основу склала розроблена математична модель порушення регламенту (МПР). Розроблено наукові основи СГУ, що включають: функціональну структуру, концепцію побудови, класифікацію, варіанти структур для рішення найбільш розповсюджених задач управління в класі СГУ, альтернативні алгоритми управління (на основі окремих випадків МПР). Алгоритми пройшли всебічне тестування в умовах істотно нестаціонарного об'єкту в перехідних і сталих режимах роботи СГУ, включаючи екстремальні режими, коли контур регулювання втрачав стійкість. Для підвищення якості СГУ розроблено: спеціальний робастний регулятор зі змінною структурою (може бути рекомендований як альтернатива ПІД-регулятору); алгоритми самонастроювання регуляторів на основі розширеного методу типової статистичної ідентифікації; алгоритми координації контурів регулювання і гарантування. Варіанти СГУ молотковими дробарками, комплексами безперервного вагового дозування, прес-грануляторами впроваджені у виробництво і дали економічний ефект.

У дисертації представленообґрунтування і рішення наукової проблеми створення наукових основ нового класу систем автоматичного управління систем гарантуючого управління. Ці системи, крім традиційних, реалізують функцію гарантування гарантованого (з наперед заданою імовірністю) дотримання обмежень на регламентовані змінні об'єкту управління. Головна мета, що повинна бути досягнута за рахунок застосування таких систем у промисловості засобами автоматичного управління гарантувати дотримання обмежень регламентів ведення технологічних процесів та роботи технологічних агрегатів, забезпечивши за рахунок цього підвищення якості продукції, зниження питомих витрат енергії і втрат сировини, запобігання виникнення аварійних ситуацій та пов'язаних з ними негативних наслідків.
Основу дисертації складаютьнові наукові положення, що виносяться на захист. Нижче сформульовані їх короткі обґрунтування і сутність.
1. Розвиток антропогенних систем, якими є і САУ, пов'язаний з підвищенням їх функціональної цілісності і визначає розширення складу реалізованих ними функцій. Новою системоутворюючою функцією, що об'єктивно повинна поповнити склад традиційних для САУ функцій (регулювання, оптимізації, логічного управління) повинна стати функція гарантування гарантованого дотримання встановлених регламентами обмежень. Її декомпозиція конкретизує задачі, рішення яких доцільно вести застосовуючи функцію гарантування, і одночасно виявляє доцільні зв'язки з іншими системоутворюючими функціями.
2. Концепція побудови СГУ ґрунтується на поточній, прямій чи непрямій, оцінці в реальному часі імовірності дотримання обмежень, встановлених регламентами, і зміни управляючого («гарантуючого») впливу на об'єкт з метою забезпечення відповідності значення оцінки наперед заданому («гарантуючому») значенню цієї імовірності. Оцінка імовірності ведеться на основі поточних оцінок характеристик регламентованих змінних як ВП і моделі порушення регламенту. Багатоваріантність побудови СГУ відображує її класифікація. Вона дає можливість віднести конкретний об'єкт до того класу об'єктів, управління яким доцільно реалізувати з використанням функції гарантування, конкретизувати джерела інформації і крапки прикладання гарантуючого уп-равління, тобто в остаточному підсумку, обґрунтувати раціональну структуру СГУ цим об'єктом. Розроблені конкретні варіанти таких структур, з узагальненою характеристикою області їх доцільного застосування й основних особливостей дають для цього обґрунтування важливу підтримку. Разом з функціональною структурою САУ, концепція побудови, класифікація і варіанти структур формують методологічну основу СГУ.
3. Математична МПР відіграє найважливішу роль у СГУ, оскільки поточне значення імовірності дотримання обмежень регламенту безпосередньо вимірюване бути не може. Її альтернативні варіанти отримані відповідно до прийнятого набору моделей зміни регламентованих змінних як випадкових процесів. Головна ознака цих моделей квазістаціонарність чи нестаціонарність на ковзних інтервалах часу математичних очікувань цих процесів. Варіанти алго-ритмів гарантуючого управління для конкретних структур СГУ безпосередньо визначаються конкретним видом МПР. Їх порівняльні дослідження показали працездатність всіх алгоритмів, у тому числі, при взаємодії їх з алгоритмами пошукової оптимізації режимів роботи об'єктів, екстремум функції ефективності яких дрейфує в широкому діапазоні. Результати оцінювалися взаємопротирічними показниками, що дозволили виділити область компромісів з Парето-оптимальними алгоритмами. Разом з тим, деякі алгоритми, що не ввійшли в цю область, але близькі до неї, мають перевагу, що не піддається формалізації перевагою простоти їх настроювання. Воно і може виявитися вирішальним у конкретній ситуації.
4. Зміна управляючого впливу, що розраховується в контурі гарантування, що у СГУ є головним, викликає додаткові перехідні процеси в її внутрішньому (допоміжному) контурі контурі регулювання. Це збільшує дисперсії коливань регулюючого впливу і регульованої (регламентованої) змінної, що приводить до негативних наслідків. Координація роботи контурів на основі синхронізації зміни гарантуючого управління зі змінами регульованої змінної, дозволяє істотно знизити ці дисперсії. «Платою» за це є деяке зниження імовірності дотримання обмежень, викликане появою запізнення в контурі гарантування. Альтернативні алгоритми при реалізації загального принципу координації, по суті, забезпечують різний ступінь компромісу між двома зазначеними недоліками.
5. При інтенсивних параметричних збуреннях, навіть таких, котрі здатні привести до нестійкості контуру регулювання (САР), СГУ вцілому зберігає працездатність, забезпечуючи запобігання порушень регламенту й аварійних ситуацій. Однак, у таких умовах неминуче знижується ефективність роботи об'єкту. Зберегти її на високому рівні можливо за рахунок адаптації параметрів регулятора регламентованої змінної. Розроблений алгоритм адаптації заснований на ідентифікації моделі каналу регулювання об'єкту в замкнутому контурі. Він враховує, що в СГУ за каналом завдання на вхід САР подається вплив, що змінюється гарантуюче управління. Розширюючи його спектр за рахунок додаткового випадкового, щодо високочастотного сигналу, вдається вирішити задачу ідентифікації на основі дворазового застосування методу типової статистичної ідентифікації (перший раз ідентифікується модель замкнутого контуру САР, другий модель каналу регулювання).
6. Область застосування відомого підходу регуляризації процедури статистичної ідентифікації на основі застосування типових моделей розширена, насамперед, на типові моделі об'єктів і САР із запізненням. Наявність запізнення різко ускладнює отримання аналітичних виразів взаємокореляційних функцій через їх громіздкість і необхідність аналізувати велику кількість варіантів для відбору фізично обґрунтованого. Метод ефективний при роботі на коротких вибірках, що актуально для поточної ідентифікації, що реалізована в реальному часі.
7. Використовуючи, як відомі підходи (комутація структури регулятора, прогнозування вільного руху) так і оригінальні розробки (динамічна зона нечутливості) у ході спеціальної процедури синтезу, що заснована на імітаційному моделюванні і параметричній оптимізації, що включає, і порівняльний аналіз великої кількості альтернативних варіантів, розроблено алгоритм регулювання, застосування якого доцільно як у СГУ, так і в звичайних САР, як альтернативу ПІД-регулятору. Усебічні дослідження показали, що при його застосуванні в САР істотно розширюється область стійкості в просторі параметрів об'єкту, збільшується динамічна точність, знижується імовірність порушення обмежень. Це, а також розробка простої та зручної («інженерної») методики настроювання параметрів, пропрацьованність цифрової реалізації алгоритму, що забезпечує стійкість його обчислювальних процедур, дозволяють рекомендувати алгоритм як базовий при побудові САР, замінивши їм ПІД-алгоритми.
8. Різні модифікації СГУ молотковими дробарками, пресами- грануляторами, комплексами безперервного вагового дозування були впроваджені в виробництво чи пройшли виробничі іспити на підприємствах комбікормової промисловості. Системи реалізують різні алгоритми гарантування і регулювання (у тому числі, аналоговий і цифровий варіанти), мають різну технічну структуру і програмно-технічну базу. Практика підтвердила їх економічну ефективність поза залежністю від усіх цих особливостей. Основою ефективності цих систем стали реалізація функції гарантування і поліпшення реалізації функції регулювання. Це є головним критерієм обґрунтованості прийнятих у роботі положень і вірогідності теоретичних розробок.
9. Область застосування СГУ не обмежується зазначеними об'єктами чи галуззю промисловості. Вони можуть бути застосовані для будь-яких об'єктів управління, регламент яких містить у собі обмеження на режими експлуатації. Ефективність застосування таких систем буде тим вище, чим важче наслідки порушень регламенту, і чим ближче найбільш ефективні режими роботи об'єкту наближаються до обмежень.