СПОСОБ ФРАГМЕНТАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ КАНАЛА РЕГУЛИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА В ДЕЙСТВУЮЩЕЙ СИСТЕМЕ Российский патент 2008 года по МПК G05B13/04 

Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию и может быть использовано для определения коэффициента передачи объекта по исследуемому каналу регулирования состояния циклического и непрерывного технологического объекта, а также для обоснованного назначения и реализации управлений в действующей системе для текущего управления состоянием объекта.

Известен комплекс методов идентификации объектов в системах управления с применением псевдослучайных (ПС) сигналов, образованных на основе последовательностей максимальной длительности (см. Теория и применение псевдослучайных сигналов / Алексеев А.И., Шереметьев А.Г., Тузов Г.И, Глазов Б.И. // - М.: Наука, 1969»). Под псевдослучайной последовательностью понимают последовательность p-ичных цифр, генерируемую регистром сдвига с соответствующей обратной связью. Псевдослучайными (шумоподобными) они называются по той причине, что, несмотря на регулярную структуру, обладают почти всеми признаками реализации случайных последовательностей. Кроме того, автокорреляционная функция ПС-сигнала, образованного в соответствии с двоичной последовательностью (р=2), напоминает функцию автокорреляции белого шума, т.е. δ-функцию. В системах измерения параметров движения ПС-сигналы обеспечивают максимальную точность измерения дальности и скорости, поскольку их диаграмма неопределенности практически оптимальна. Как известно, δ-функции используются для идентификации объектов в системах управления.

Идентификацию объектов в действующих системах управления осуществляют единовременно в период настройки систем поддержки принимаемых решений человека-оператора либо периодически для супервизорной адаптации настроек используемых моделей объектов. Таким образом, во втором случае периоды управления объектами в обычном режиме чередуются с периодами активной идентификации этих объектов. В период идентификации объектов управление ими осуществляется в режиме подачи на вход скрытых или открытых ПС-сигналов.

У этого способа существуют следующие недостатки:

- для проведения этого исследования диапазон должен быть весьма широким, т.е. шаг квантования (интервал дискретизации) по частоте должен быть маленьким (число экспериментов должно быть большим);

- для существенно нелинейных объектов целесообразно использовать модели в приращениях, тогда необходимо достаточно точно прогнозировать поведение входа и выхода объекта. Ошибка прогнозирования управлений для каждой организационно-технологической ситуации (ОТС) будет своя, а сигнал псевдослучайный, поэтому заранее невозможно либо сложно учесть ошибки прогнозирования. Средняя ошибка по всему псевдосигналу для нелинейной области не имеет смысла;

- скрытые воздействия снижают эффективность управления и могут переводить оператора в другую ОТС, что изменяют его ошибки прогнозирования и регулирования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ идентификации действующих объектов в системах управления (патент РФ №2277259, МПК G05B 13/14, G05B 23/00 приоритет от 01.12.2004). Он используется для нелинейных объектов, обладающих свойством самоорганизации и систем управления с пониженной устойчивостью. Предварительно оценивают статистические ошибки прогнозирования и регулирования, изучают состояния объекта с учетом текущих значений выходных переменных состояния, как в данный момент времени, так и в предыдущих состояниях. Объект идентифицируют в классе различных организационно-технологических ситуаций, в том числе и при малой устойчивости систем. Совместно прогнозируют рабочие управления и вектор выходных величин объекта. Наносят пробные испытательные воздействия на прогнозируемые рабочие управления. Фиксируют траектории изменения выходных переменных во времени. Оценивают динамические характеристики 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.

Недостатки способа:

- строго фиксированный пробный сигнал предназначен для нанесения по входу объекта заранее известного испытательного воздействия. Идентификация построена на анализе реакции объекта на пробный сигнал. Последний в принципе не предназначен для выполнения побочных функций, связанных с переводом объекта в иное состояние для придания ему новых свойств. Это уже прерогатива не пробного испытательного воздействия, а «в чисте» управления:

- способ не предназначен непосредственно для управления.

Задачей изобретения является повышение точности определения коэффициента передачи канала регулирования состояния циклического и непрерывного технологического нелинейного объекта с пониженной устойчивостью и с протекающим в нем нестационарным технологическим процессом. И, как следствие, более правильное назначение и реализация управлений в действующей системе для текущего управления состоянием объекта.

Это достигается тем, что в способе фрагментального управления и идентификации канала регулирования состояния объекта в действующей системе предварительно оценивают статистические ошибки прогнозирования и регулирования, изучают состояния объекта, как в данный момент времени, так и в предыдущих состояниях, идентифицируют объект в классе различных организационно-технологических ситуаций, прогнозируют рабочие управления, наносят пробные испытательные воздействия на прогнозируемые рабочие управления, фиксируют траектории изменения во времени фактически реализованных временных зависимостей управлений, оценивают динамические характеристики исследуемого канала регулирования по информации, включающей траекторию изменения во времени разности между спрогнозированными и фактически реализованными временными зависимостями управлений и статистические характеристики ошибок регулирования и прогнозирования, дополнительно основе предварительных исследований на объекте выделяют каналы регулирования с повышенной и пониженной чувствительностью к ним текущих значений параметров состояния объекта, каналы регулирования с повышенной чувствительностью используют для грубого программного управления, а каналы с пониженной чувствительностью - для тонкого корректирующего регулирования текущих значений параметров состояния объекта, на каждом этапе управления анализируют и прогнозируют динамику развития организационно-технологической ситуации на объекте, причем для объектов с непродолжительным циклом функционирования, у которых длительность цикла меньше времени памяти объекта, анализ ведут от начала цикла, далее выбирают программный фрагмент, содержащий четыре составляющие: во-первых, программу управлений по переводу состояния объекта из текущей организационно-технологической ситуации к более благоприятной; во-вторых, программу корректирующего регулирования по исследуемому каналу регулирования в благоприятной организационно-технологической ситуации; в-третьих, программу «возврата» регулирующих воздействий по исследуемому каналу регулирования на уровень, соответствующий рабочему режиму управления; в-четвертых, программу возвращения организационно-технологической ситуации из благоприятной на рабочую, соответствующую рабочим режимам эксплуатации объекта, прогнозируют временные зависимости параметров состояния объекта, фактически реализованные временные зависимости управлений и траектории изменения параметров состояния объекта во времени фиксируют вплоть до возвращения объекта на рабочие режимы управления, управляют объектом по выбранному программному фрагменту: базовые уровни текущих значений параметров состояния объекта устанавливают путем реализации на объекте программы управлений по переводу состояния объекта из текущей организационно-технологической ситуации к более благоприятной, а корректирующими регулирующими воздействиями регулируют текущие значения параметров состояния объекта вблизи установленных таким образом базовых уровней с целью дополнительного улучшения этого состояния, пробные испытательные воздействия наносят на выбранный программный фрагмент в период корректирующего регулирования, после которого продолжают управлять объектом по выбранному программному фрагменту путем реализации программы «возврата» регулирующих воздействий по исследуемому каналу регулирования на уровень, соответствующий рабочему режиму управления; программы возвращения организационно-технологической ситуации из благоприятной на рабочую, соответствующую рабочим режимам эксплуатации объекта, находят изменения во времени разности между спрогнозированными и фактически полученными временными зависимостями параметров состояния объекта, которые используют для оценки динамических характеристик исследуемого канала регулирования во временной последовательности классов организационно-технологических ситуаций, причем согласно одного варианта во время эксперимента программу управлений используют для искусственной смены организационно-технологической ситуации на объекте и в системе управления с целью стабилизации процесса во вспомогательной организационно-технологической ситуации, согласно другого варианта на каждом этапе управления рациональную траекторию программного управления используют для многократной искусственной смены организационно-технологической ситуации на объекте путем их последовательного перевода на конечном отрезке времени из исходной организационно-технологической ситуации через ряд вспомогательных в конечную организационно-технологическую ситуацию, придающую объекту более привлекательные свойства, согласно третьего варианта, на каждом этапе управления рациональную траекторию программного управления используют для перевода объекта на время стабилизации процесса во вспомогательную организационно-технологическую ситуацию с целью придания ей большей устойчивости.

Способ используется, прежде всего, для нелинейных объектов, обладающих свойством самоорганизации и систем управления с пониженной устойчивостью.

В данном способе практически реализуется идея Фельдбаума совмещения процессов управления и идентификации. При этом часть подающегося на вход объекта сигнала - программа управления выполняет функцию управления. Оно предварительно подготавливает объект, переводя его в нужное состояние. Другая часть с помощью пробного сигнала по-прежнему производит идентификацию.

Известный способ идентификации также позволяет произвести экспериментальное построение математической модели описываемого канала регулирования в исследуемой благоприятной организационно-технологической ситуации. Согласно известному способу для этого нужно дождаться того момента времени, когда объект переведут в интересующее состояние. Следует отметить, что перевод объекта в исследуемую организационно-технологическую ситуацию, в общем, может производиться несколькими различными путями. Обеспечивающее этот перевод программное управление может быть весьма различным. Поскольку происходит достаточно резкий (быстрый) перевод из одной ОТС в другую, то недавно нанесенное программное управление все еще продолжает оставлять мощное последействие, последствие (остаточную реакцию объекта). Программное управление поступает по каналу регулирования, обеспечивающего большую реакцию на выходе объекта, чем по каналу, используемому в дальнейшем для регулирования. Поэтому проявление на выходе объекта эффекта программного управления соизмеримо с эффектом пробного сигнала. Появившийся на выходе объекта эффект действия программы управления накладывается на результаты действия пробного сигнала, зашумляя и искажая проявление на выходе эффекта пробного сигнала. Указанная память объекта программы управления является специфической и, естественно, отражает вид самой программы. Значит, она всякий раз будет своей.

Если не найти способ отделения реакции на пробный сигнал от реакции на программу управления, то мощные и разные остаточные реакции на программу всякий раз будут относиться к реакции объекта на пробные сигналы. Динамические характеристики исследуемого канала регулирования будут определяться со значительной ошибкой. Реальным способом такого отделения является регламентация, а в данном случае - повторение программы управления в ходе всего эксперимента (то есть воспроизведение ее полностью от одного цикла управления к другому). Эта предпосылка в предлагаемом способе является главной. Она диктует необходимость жесткого фиксирования используемой при идентификации программы управления. Программа управления переходит в разряд постоянных условий при проведении эксперимента.

Пример 1.

В послеперестроечный период существования нашего государства резко понизилось общее потребление стали. На несколько лет исчезла необходимость в интенсивных металлургических технологиях. Интенсивность продувки стали в кислородных конвертерах по наиболее распространенной технологии «Без дожигания окиси углерода» повсеместно снижалась до 30%. Хотя это и приводило к увеличению длительности продувки (а производительность в тот момент не являлась лимитирующим элементом технологии), однако на порядок повышало устойчивость процесса продувки. Во время выплавки стали практически прекратились переливы (выбросы) газо-шлако-металлической эмульсии через горловину конвертера - главный бич процесса управления выплавкой стали в кислородных конвертерах. Стабилизировался объем этой эмульсии. Прекратились выносы металла из конвертера, возникающие при непокрытой металлической ванне. Наряду с отрицательными потерями металла выносы дополнительно сопровождаются снижением качества стали.

Но, как только вновь возникла необходимость в интенсификации процесса выплавки стали, вернулись к прежней повышенной интенсивности продувки. Вновь процесс управления сопровождается периодическими переливами эмульсии, особенно во второй период продувки стали. Возросло и количество выносов. Однако и сейчас на короткий по времени период стабилизации отклонившегося от нормы состояния процесса целесообразно вновь возвращаться на эти вспомогательные режимы. А уже после стабилизации состояния процесса плавно (безударно) возвращаться к основному интенсивному периоду продувки стали. Этот интенсивный режим, в общем, не совпадает с исходным режимом. Но, в частности, может и совпадать с ним.

Почему зачастую оказывается, невозможно управлять объектом с использованием только одного управления? - Оперативное управление - тонкое, и его возможностей хватает только для небольшой корректировки установленного рабочего режима функционирования объекта. Ресурса его управления оказывается недостаточно для выведения объекта из аномального состояния. А программное управление выполняет роль стратегического управления, которое может переводить объект из одного организационно-технологического состояния в другое. Оно оказывает на состояние объекта не количественное, а качественное влияние!

Однако часто благоприятное состояние объекта из данного может быть достигнуто не напрямую, а через одно либо несколько промежуточных состояний. Тогда будем иметь дело с целой цепочкой, плеядой промежуточных состояний, в которые мы последовательно вводим объект для повышения его управляемости. И уже в последнем состоянии производится окончательное его корректирующее регулирование, например, с целью стабилизации режима функционирования объекта. Далее следует возвращение к интенсивному режиму.

Для программного управления с использованием стратегических управляющих воздействий требуется описание каналов регулирования с использованием моделей в полных уровнях. Для корректирующего оперативного управления - модель в отклонениях.

В условиях явной нелинейности объекта периодически возможен переход из одной организационно-технологической ситуации в другую. При идентификации каналов регулирования приходится учитывать как сам переход, так и связанную с ним смену статистических характеристик (ошибок регулирования и прогнозирования). В данном изобретении переход от одной организационно-технологической ситуации к другой производят специально для того, чтобы создать благоприятные условия для управления. И поскольку тонкое регулирование является главным инструментом достижения высокого качества состояния объекта, то необходимо изучить, описать математически канал регулирования именно в этой организационно-технологической ситуации. Таким образом, перевод объекта в новую организационно-технологическую ситуацию в данном случае является желательным как с точки зрения управления, так и с точки зрения идентификации.

Способ реализуется следующим образом.

Для нелинейных объектов по множеству циклов управления (на одних и тех же либо на подобных объектах, в которых протекают эргодичные процессы) проводят наблюдение за исследуемым объектом для получения репрезентативной выборки данных в каждом классе выделяемых организационно-технологических ситуаций. По этим данным в каждом классе организационно-технологических ситуаций предварительно оценивают статистические ошибки прогнозирования и регулирования. На основе предварительных исследований на объекте выделяют каналы регулирования с повышенной и пониженной чувствительностью к ним текущих значений выходных переменных состояния объекта. Далее каналы регулирования с повышенной чувствительностью используют для более грубого программного управления, а каналы с пониженной чувствительностью - для тонкого корректирующего регулирования текущих значений выходных переменных состояния объекта. В ходе эксперимента во время очередного опыта на действующем объекте фиксируют состояния объекта с учетом текущих значений выходных переменных состояния, как в данный момент времени, так и в предыдущих состояниях. Анализируют и прогнозируют динамику развития организационно-технологической ситуации на объекте. Для объектов с непродолжительным циклом функционирования, у которых длительность цикла меньше времени памяти объекта, анализ ведут от начала цикла. На основе анализа в функции текущей организационно-технологической ситуации и динамики ее развития выбирают программный фрагмент. Он содержит четыре составляющие. Во-первых, программу управлений по переводу состояния объекта и системы управления из текущей организационно-технологической ситуации к более благоприятной. Во-вторых, программу корректирующего регулирования по исследуемому каналу регулирования в благоприятной организационно-технологической ситуации. В-третьих, программу «возврата» регулирующих воздействий по исследуемому каналу регулирования на уровень, соответствующий рабочему режиму управления. В-четвертых, программу возвращения организационно-технологической ситуации из благоприятной на рабочую, соответствующую рабочим режимам эксплуатации объекта. Прогнозируют вектор параметров состояния объекта. Управляют объектом по выбранному программному фрагменту. Базовые уровни текущих значений переменных состояния объекта устанавливают путем реализации на объекте программы управлений по переводу состояния объекта из текущей организационно-технологической ситуации к более благоприятной. После перевода объекта в благоприятную организационно-технологическую ситуацию корректирующими регулирующими воздействиями регулируют текущие значения переменных состояния объекта вблизи установленных таким образом базовых уровней с целью дополнительного улучшения этого состояния. В этот период времени на исходный (выбранный) программный фрагмент наносят пробные испытательные воздействия. Фиксируют траектории изменения параметров состояния объекта во времени вплоть до возвращения объекта на рабочие режимы управления. Фиксируют траектории изменения во времени фактически реализованных временных зависимостей управлений вплоть до возвращения объекта на рабочие режимы управления. Для возвращения объекта на рабочий режим реализуют программу «возврата» регулирующих воздействий по исследуемому каналу регулирования на уровень, соответствующий рабочему режиму управления; далее - программу возвращения организационно-технологической ситуации из благоприятной на рабочую, соответствующую рабочим режимам эксплуатации объекта. Находят изменения во времени разности между спрогнозированными и фактически полученными временными зависимостями параметров состояния объекта. Находят изменения во времени разности между спрогнозированными и фактически реализованными временными зависимостями управлений. Оценивают динамические характеристики исследуемого канала регулирования по двум этим разностям и по статистическим характеристикам ошибок регулирования и прогнозирования во временной последовательности классов организационно-технологических ситуаций.

По одному из вариантов способа во время эксперимента программу управлений используют для искусственной смены организационно-технологической ситуации на объекте с целью стабилизации процесса во вспомогательной организационно-технологической ситуации. Это становится перспективным, если стабилизацию процесса оказывается проще проводить именно во вспомогательной организационно-технологической ситуации. То есть выбирается такая вспомогательная организационно-технологическая ситуация, в которой условия для стабилизации процесса выше, чем в рабочей организационно-технологическая ситуации.

По другому варианту способа с помощью программного управления последовательно производят многократную искусственную смену организационно-технологической ситуации на объекте. Под действием программы управления организационно-технологическая ситуация меняется из исходной через ряд вспомогательных в конечную организационно-технологическую ситуацию, придающую объекту более привлекательные свойства.

По третьему варианту способа рациональную траекторию программного управления используют для перевода объекта на время стабилизации процесса во вспомогательную организационно-технологическую ситуацию с целью придания ей большей устойчивости.

Пример 2.

Рассмотрим особенности идентификации канала регулирования с выходом на параметр состояния кислородно-конвертерного процесса. Канал регулирования «Изменение высоты фурмы - изменение интенсивности выбросов». Получаемая оценка коэффициента передачи по данному каналу является условной, так как зависит от динамики организационно-технологических ситуаций. Выбросы из конвертера оцениваем визуально и ранжируем по трем уровням: низкие (1 балл), средние (2 балла) и большие (3 балла). В качестве эксперта выступает опытный машинист дистрибьютора.

Исследуем второй период продувки стали в кислородном конвертере с садкой 350 т. Технология «Без дожигания окиси углерода». Средняя длительность продувки стали -19,5 минут, 8-10 минуты продувки. Расход (интенсивность) продувки - 950 нм³/мин, высота фурмы - 0,9 м. Выбросы в 2 балла.

Программный фрагмент:

1) программа управлений по переводу состояния объекта и системы управления из текущей организационно-технологической ситуации к более благоприятной: быстрое снижение расхода на 40 нм³/мин, подача мелкими порциями извести - два раза по 250 кг с интервалом в 15 секунд;

2) программа корректирующего регулирования по исследуемому каналу регулирования в благоприятной организационно-технологической ситуации: плавное опускание в течение 15 сек фурмы от 0,9 м до 0,7 м;

3) программа «возврата» по исследуемому каналу регулирования: плавное поднятие фурмы до 0,9 м в течение 10 сек;

4) программа возвращения организационно-технологической ситуации из благоприятной на рабочую, соответствующую рабочим режимам эксплуатации объекта: плавное повышение интенсивности на прежний уровень в течение 15 сек.

Пробный сигнал: дополнительное изменение положения фурмы при корректирующем регулировании на ±0,1 м.

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для определения коэффициента передачи объекта по исследуемому каналу регулирования состояния циклического и непрерывного технологического объекта. Техническим результатом является повышение точности определения коэффициента передачи канала регулирования состояния циклического и непрерывного технологического нелинейного объекта с пониженной устойчивостью и с протекающим в нем нестационарным технологическим процессом. При идентификации каналов регулирования приходится учитывать как сам переход, так и связанную с ним смену статистических характеристик (ошибок регулирования и прогнозирования). В способе фрагментального управления переход от одной организационно-технологической ситуации к другой производят специально для того, чтобы создать благоприятные условия для управления. Поскольку тонкое регулирование является главным инструментом достижения высокого качества состояния объекта, то необходимо изучить, описать математически канал регулирования именно в этой организационно-технологической ситуации. Таким образом, перевод объекта в новую организационно-технологическую ситуацию в данном случае является желательным как с точки зрения управления, так и с точки зрения идентификации. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ фрагментального управления и идентификации канала регулирования состояния объекта в действующей системе, включающий предварительную оценку статистических ошибок прогнозирования и регулирования, изучение состояния объекта, как в данный момент времени, так и в предыдущих состояниях, идентификацию объекта в классе различных организационно-технологических ситуаций, прогнозирование рабочих управлений, нанесение пробных испытательных воздействий на прогнозируемые рабочие управления, фиксирование траектории изменения во времени фактически реализованных временных зависимостей управлений, оценку динамических характеристик исследуемого канала регулирования по информации, включающей траекторию изменения во времени разности между спрогнозированными и фактически реализованными временными зависимостями управлений и статистические характеристики ошибок регулирования и прогнозирования, отличающийся тем, что на основе предварительных исследований на объекте выделяют каналы регулирования с повышенной и пониженной чувствительностью к ним текущих значений параметров состояния объекта, каналы регулирования с повышенной чувствительностью используют для грубого программного управления, а каналы с пониженной чувствительностью - для тонкого корректирующего регулирования текущих значений параметров состояния объекта, на каждом этапе управления анализируют и прогнозируют динамику развития организационно-технологической ситуации на объекте, причем для объектов с непродолжительным циклом функционирования, у которых длительность цикла меньше времени памяти объекта, анализ ведут от начала цикла, далее выбирают программный фрагмент, содержащий четыре составляющие: во-первых, программу управлений по переводу состояния объекта из текущей организационно-технологической ситуации к более благоприятной; во-вторых, программу корректирующего регулирования по исследуемому каналу регулирования в благоприятной организационно-технологической ситуации; в-третьих, программу «возврата» регулирующих воздействий по исследуемому каналу регулирования на уровень, соответствующий рабочему режиму управления; в-четвертых, программу возвращения организационно-технологической ситуации из благоприятной на рабочую, соответствующую рабочим режимам эксплуатации объекта, прогнозируют временные зависимости параметров состояния объекта, фактически реализованные временные зависимости управлений и траектории изменения параметров состояния объекта во времени фиксируют вплоть до возвращения объекта на рабочие режимы управления, управляют объектом по выбранному программному фрагменту: базовые уровни текущих значений параметров состояния объекта устанавливают путем реализации на объекте программы управлений по переводу состояния объекта из текущей организационно-технологической ситуации к более благоприятной, а корректирующими регулирующими воздействиями регулируют текущие значения параметров состояния объекта вблизи установленных таким образом базовых уровней с целью дополнительного улучшения этого состояния, пробные испытательные воздействия наносят на выбранный программный фрагмент в период корректирующего регулирования, после которого продолжают управлять объектом по выбранному программному фрагменту путем реализации программы «возврата» регулирующих воздействий по исследуемому каналу регулирования на уровень, соответствующий рабочему режиму управления: программы возвращения организационно-технологической ситуации из благоприятной на рабочую, соответствующую рабочим режимам эксплуатации объекта, находят изменения во времени разности между спрогнозированными и фактически полученными временными зависимостями параметров состояния объекта, которые используют для оценки динамических характеристик исследуемого канала регулирования во временной последовательности классов организационно-технологических ситуаций.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что во время эксперимента программу управлений используют для искусственной смены организационно-технологической ситуации на объекте с целью стабилизации процесса во вспомогательной организационно- технологической ситуации.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на каждом этапе управления рациональную траекторию программного управления используют для многократной искусственной смены организационно-технологической ситуации на объекте путем их последовательного перевода на конечном отрезке времени из исходной организационно-технологической ситуации через ряд вспомогательных в конечную организационно-технологическую ситуацию, придающую объекту интересующие свойства.4. Способ по п.2, отличающийся тем, что на каждом этапе управления рациональную траекторию программного управления используют для перевода объекта на время стабилизации процесса во вспомогательную организационно-технологическую ситуацию с целью придания ей большей устойчивости.