СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДЕЙСТВУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G05B13/04 G05B23/00 

Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию и может быть использовано для построения математических моделей каналов регулирования действующих, циклических и непрерывных технологических нелинейных объектов, обладающих свойствами самоорганизации и систем управления с пониженной устойчивостью.

Известен комплекс методов идентификации объектов в системах управления, позволяющий строить модели объектов с применением испытательных (пробных, тестирующих) воздействий, но в то же время минимизирующий их негативное влияние на нормальное протекание производственных процессов (см. Идентификация объектов в системах управления / Мышляев Л.П., Львова Е.И., Киселев С.Ф, Иванов С.Я. // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. - 2001 - №12. С.32-35). Для идентификации с прогнозированием траекторий рабочего управления и нанесением на них испытательных воздействий выполняют операции совместного прогнозирования траекторий управляющих входных и выходных воздействий объекта, наносят испытательные воздействия на прогнозируемые траектории рабочих управлений по составленной схеме планирования эксперимента, оценивают коэффициенты передачи исследуемых каналов регулирования по разности между спрогнозированными и фактически полученными траекториями выходных воздействий объекта и по разности между спрогнозированными и фактически реализованными траекториями управляющих входных воздействий объекта, при этом допускаются регулирующие воздействия, направленные на подавление эффектов испытательных воздействий по ранее идентифицированным каналам регулирования, но с последующим исключением эффектов этих компенсирующих воздействий.

У этого способа существуют следующие недостатки:

- Схема планирования эксперимента в общем может предусматривать и испытательные воздействия, своим эффектом ухудшающие текущее состояние объекта. Для действующих нелинейных объектов, обладающих свойствами самоорганизации, и систем управления с пониженной устойчивостью подобные воздействия зачастую оказываются недопустимыми, поскольку могут приводить к появлению нецелевых и даже недопустимых технологических состояний.

- Для действующих нелинейных объектов, обладающих свойствами самоорганизации, и систем управления с пониженной устойчивостью зачастую регулирующие воздействия для подавления эффектов испытательных воздействий по ранее идентифицированным каналам регулирования по указанному способу подаваться не могут. Это объясняется тем, что динамические свойства идентифицируемого канала регулирования, как правило, априори известны лишь приблизительно. Поэтому точной компенсации эффекта испытательных воздействий регулирующими воздействиями по ранее идентифицированным каналам объекта достичь не удается. А управления, своими эффектами направленные в сторону ухудшения состояния системы, могут приводить к лавинообразному «скатыванию» ее состояния к нецелевому и даже недопустимому.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ идентификации объектов, в котором пробный сигнал наносится на прогнозируемые рабочие управления для оценки характеристик каналов регулирования (см. Нанесение экспериментальных воздействий на прогнозируемые рабочие управления / Веревкин В.И., Авдеев В.П., Лакунцов Б.А., Бурдонов Б.А., Катрич А.П. // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. - 1975 - №6. С.163-166). Он включает предварительную оценку статистических характеристик ошибок прогнозирования и регулирования, совместное прогнозирование рабочих управлений и вектора выходных величин объекта, нанесение пробного испытательного воздействия на прогнозируемые рабочие управления, фиксирование траектории изменения выходных переменных во времени и оценку динамических характеристик исследуемых каналов регулирования по траектории изменения во времени разности между спрогнозированными и фактически полученными временными зависимостями выходных величин объекта, по траектории изменения во времени разности между спрогнозированными и фактически реализованными временными зависимостями управлений и по статистическим характеристикам ошибок регулирования и прогнозирования.

Для объектов управления целесообразно изучать те динамические характеристики каналов регулирования, которые далее потребуются для реализации целей управления. С другой стороны, процесс активной идентификации объекта может предусматривать нанесение на его входы испытательных воздействий, своими эффектами либо улучшающих, либо ухудшающих его состояние. Для действующих нелинейных объектов, обладающих свойствами самоорганизации, и систем управления с пониженной устойчивостью подача в ходе идентификации испытательных воздействий, своим эффектом ухудшающих состояния систем, как правило, не допустима. Реализация способа может приводить к возникновению нецелевых и даже недопустимых состояний систем.

Задачей изобретения является повышение точности идентификации изменения состояния объекта (в сторону стабилизации или в сторону повышения устойчивости системы) и нанесения пробного сигнала, который своим эффектом способствует росту устойчивости системы.

Для этого в способе идентификации действующих объектов в системах управления предлагается для нелинейных объектов, обладающих свойствами самоорганизации, и систем управления с пониженной устойчивостью первоначально определять возможность управления в положительном или отрицательном направлении подачи пробного испытательного воздействия, изучать состояния объекта с учетом текущих значений выходных переменных и переменных состояния как в данный момент времени, так и в предыдущих состояниях, объекты идентифицировать в классе различных организационно-технологических ситуаций, в том числе и при малой устойчивости систем, причем в последнем случае испытательные воздействия наносить в направлении, способствующем улучшению состояний систем. Поскольку математическая модель является целевым отображением объекта исследования [см. книгу Пешель М. Моделирование сигналов и систем. - М.: Мир, 1981 - 300 с.], примем в качестве цели управления объектом улучшение либо, как минимум, не ухудшение его состояния. С учетом вышесказанного, при идентификации наибольший интерес будут представлять их динамические характеристики, описывающие влияние на выходные переменные и параметры состояния объекта управлений, приводящих к достижению целей управления. Для части объектов и организационно-технологических ситуаций, в которых они находятся в каждый данный момент управления, для достижения целей управления зачастую равновероятно требуемое движение выходных переменных и параметров состояния объекта в одном и в противоположном направлении.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Применительно к реальным объектам управления, примером которых является кислородно-конвертерный процесс, обладающим свойствами самоорганизации, реакция его на нанесенное управляющее воздействие будет существенно зависеть от состояния объекта, причем влияет существенная нелинейность его характеристик. Устойчивость процесса продувки стали кислородом зависит от большого числа факторов. Как правило, система управления приближается к границе устойчивости во втором периоде продувки. При этом небольшое управление, направленное на ухудшение состояние объекта, может приводить к появлению нецелевых, нештатных и даже аварийных ситуаций. Так, при интенсивном шлакообразовании во второй период продувки плавки на кислородном конвертере подъем фурмы приведет к неуправляемому лавинообразному увеличению объема шлако-металлической эмульсии. Это вынуждает оперативный персонал прекратить процесс для промежуточного скачивания лишнего объема шлако-металлической эмульсии.

Способ реализуется для реального объекта, например кислородно-конвертерного процесса, следующим образом:

1. Для объектов с нелинейным изменением свойств исследуют динамические характеристики каналов регулирования для различных организационно-технологических ситуаций, в том числе и при малой устойчивости систем.

2. Для действующих нелинейных объектов, обладающих свойствами самоорганизации и систем управления с пониженной устойчивостью. Исходя из ограничений на область допустимых значений управлений, связанных с невозможностью технической реализации управлений в сторону лавинообразного сваливания системы в неуправляемое неустойчивое состояние, допускают движение переменных состояния системы лишь в направлении, способствующем улучшению этого состояния.

Способ идентификации действующих объектов в системах управления относится к области автоматического управления и регулирования. Его использование применяется для построения математических моделей каналов регулирования циклических и непрерывных технологических объектов в системах управления. Технический результат заключается в повышении точности идентификации изменения состояния объекта (в сторону стабилизации или в сторону повышения устойчивости системы) и нанесения пробного сигнала, который своим эффектом способствует росту устойчивости системы. Это достигается предварительной оценкой статистических ошибок прогнозирования и регулирования, совместным прогнозированием рабочих управлений и вектора выходных величин объекта, нанесением пробного испытательного воздействия на прогнозируемые рабочие управления, фиксированием траектории изменения выходных переменных во времени и оценкой динамических характеристик исследуемых каналов регулирования по траектории изменения во времени разности между спрогнозированными и фактически полученными временными зависимостями выходных величин объекта, по траектории изменения во времени разности между спрогнозированными и фактически реализованными временными зависимостями управлений и по статистическим характеристикам ошибок регулирования и прогнозирования.

Способ идентификации действующих объектов в системах управления, включающий предварительную оценку статистических ошибок прогнозирования и регулирования, совместное прогнозирование рабочих управлений и вектора выходных величин объекта, нанесение пробного испытательного воздействия на прогнозируемые рабочие управления, фиксирование траектории изменения выходных переменных во времени и оценку динамических характеристик исследуемых каналов регулирования по траектории изменения во времени разности между спрогнозированными и фактически полученными временными зависимостями выходных величин объекта, по траектории изменения во времени разности между спрогнозированными и фактически реализованными временными зависимостями управлений и по статистическим характеристикам ошибок регулирования и прогнозирования, отличающийся тем, что для нелинейных объектов, обладающих свойствами самоорганизации, и систем управления с пониженной устойчивостью первоначально определяется возможность управления в положительном или отрицательном направлении подачи пробного испытательного воздействия, изучаются состояния объекта с учетом текущих значений выходных переменных и переменных состояния как в данный момент времени, так и в предыдущих состояниях, объекты идентифицируют в классе различных организационно-технологических ситуаций, в том числе и при малой устойчивости систем, причем в последнем случае испытательные воздействия наносят в направлении, способствующему улучшению состояний систем.