СПОСОБ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ СИСТЕМЫ Российский патент 2008 года по МПК G05B13/00 

Изобретение относится к способам контроля и управления и может быть использовано в энергетике, медицине, в пищевой, химической, металлургической и других отраслях промышленности, а также при организации мониторинга и управления в социально-экономических системах. Целью изобретения является повышение эффективности контроля состояния системы и организация управления ею в условиях неопределенности.

Известен способ контроля и управления, основанный на использовании для организации контроля и управления величины энтропийного потенциала системы Δ_э, как унифицированной характеристики неопределенности ее состояния по рассматриваемому параметру у (патент RU №2296356, МПК G05B 13/00. Способ контроля и управления динамической системой. /Лазарев В.Л. (RU), C1, 2007.03.27.). Величина энтропийного потенциала определяется как половина диапазона равномерного распределения в интервале от -Δ_э и до Δ_э, имеющего такую же энтропию, как и у конкретного параметра с конкретным законом распределения. При таком определении величина энтропийного потенциала может быть выражена через энтропию системы Н(у) в виде

Очевидно, что возрастание величины Δ_э свидетельствует об увеличении энтропии, а следовательно, и степени неопределенности состояния системы и наоборот. Аналогичное, более частное понятие - энтропийное значение погрешности было введено в приборостроении для характеристики погрешностей средств измерений. В монографии «Электрические измерения неэлектрических величин» авторы А.Н.Туричин, П.В.Новицкий, Е.С.Левшина и др. /Под ред. П.В.Новицкого. - Л.: Энергия, 1975, приведены соответствующие обоснования и выкладки. Достоинством использования понятия величины энтропийного потенциала для организации контроля и управления является то, что она может быть выражена через характеристики рассеяния параметра в виде

Δ_э=σ·К_э,

где σ - величина среднеквадратического отклонения параметра; К_э - энтропийный коэффициент закона распределения параметра. Величина К_э зависит от вида закона распределения и может изменяться в пределах от 0 и до 2,066 (В реальных ситуациях обычно диапазон изменения лежит в пределах от 1 и до 2,066). Причем максимальное значение К_э=2,066 соответствует нормальному закону распределения. То есть при одинаковой величине σ нормальный закон распределения дает наибольшее значение энтропии или наибольший дестабилизирующий эффект или наибольшую степень неопределенности состояния параметра относительно других законов распределения. Определение величины К_э зачастую может быть осуществлено без проведения экспериментальных исследований: аналитическим путем, на основании аналогий, исходя из физического смысла и др. В вышеуказанной монографии приведены методики и специальные номограммы по определению величин К_э для различных ситуаций и комплексов проявлений случайных составляющих параметров. Ограниченный объем выборки необходим только для получения оценки величины σ. Таким образом, для определения величины энтропийного потенциала зачастую требуется меньший объем выборки измерительной информации, чем для получения соответствующей оценки энтропии. При этом затраты для получения оценок величин Δ_э будут на порядок меньше затрат, необходимых для получения соответствующих оценок энтропии, для которых необходимо определение функций плотности распределений параметра на каждом цикле контроля или управления, что в свою очередь требует значительно большего объема выборки измерительной информации и дополнительных трудозатрат на ее обработку. Использование понятия энтропийного потенциала - Δ_э позволяет объективно охарактеризовать степень неопределенности рассматриваемого параметра системы в единицах его измерения.

Однако в ряде случаев этого может оказаться недостаточно, так как возникнет необходимость учета и некоторого базового значения Х_n, на фоне или относительно которого рассматривается состояние неопределенности. В этих случаях состояние неопределенности системы предлагается характеризовать величиной комплексного энтропийного потенциала - L_Δ, определяемой из следующего соотношения

В качестве величины Х_n может быть использована величина математического ожидания параметра - m_x или величина его номинального значения. Однако, если изменения параметра происходят в окрестности нуля, то величина L_Δ может обращаться в бесконечность. В этих случаях в качестве величины Х_n могут быть использованы величины диапазона изменения этого параметра, предельно-допустимого значения и др. При контроле и управлении качеством процесса регулирования параметра на основании его энтропийного потенциала в качестве величины Х_n целесообразно выбрать величину уставного значения (уставки) регулятора. В частности, в качестве величины Х_n также может быть выбрана какая-либо базовая величина энтропийного потенциала Δ_эб. Согласно сделанному определению величина L_Δ является безразмерной и при необходимости может быть выражена в процентах. Изменение состояния неопределенности системы после каждого этапа эволюции или управления может быть оценено по величине приращения или дифференциала комплексного энтропийного потенциала dL_Δ.

dL_Δ=К_эdσ/X_n+σdK_э/X_n-K_эσdX_n/X_n ².

Величина комплексного энтропийного потенциала может использоваться в качестве критерия энтропийного подобия при контроле состояний неопределенности различных параметров систем.

Контроль и управление состоянием неопределенности системы на основании величины комплексного энтропийного потенциала параметра может быть осуществлен, помимо контроля и изменения величин К_э и σ, также за счет определения и целенаправленного изменения величины базового значения в допустимых пределах. Для этого, в зависимости от конкретной ситуации, определяют базовое значение параметра системы, рассчитывают величину L_Δ, определяют изменение ее после каждого этапа эволюции или управления системой по величине приращения или дифференциала комплексного энтропийного потенциала. Управление состоянием неопределенности системы по величине L_Δ осуществляют путем изменения настроек базового значения, задающих диапазон изменения параметра, или его предельное значение, или величину его математического ожидания, или величину уставки регулятора, или его номинальное значение, или базовую величину энтропийного потенциала.

Для иллюстрации можно привести следующий пример. Так, величина энтропийного потенциала, равная 15°С, характеризующая нестабильность температурного поля в объеме печи для выпечки хлебобулочных изделий при требуемом температурном уровне 150°С является нежелательной, так как может привести к появлению брака (в виде отдельных буханок с пригорелой и растрескавшейся поверхностью и буханок с недостаточной степенью пропеченности). Та же величина энтропийного потенциала температурного поля в верхней части горна доменной печи с уровнем температуры 1500°С и выше не окажет существенного влияния на качество выплавляемого чугуна. Величина комплексного энтропийного потенциала температурного поля хлебопекарной печи будет равна 10%, а для доменной печи не будет превышать 1%. Для хлебопекарной печи величина комплексного энтропийного потенциала температурного поля может быть уменьшена за счет увеличения температурного уровня до 160°С, что для некоторых видов продукции допускается технологическими инструкциями (L_Δ=9.4%). Это естественно приведет к уменьшению брака от неоднородности температурного поля.

Изобретение относится к способам контроля и организации управления и может быть использовано в системах контроля и управления в энергетике, медицине, пищевой, химической, металлургической и других отраслях промышленности. Техническим результатом является повышение полноты контроля за состоянием неопределенности системы и организации управления. В способе контроля и управления при организации контроля и управления используют величину комплексного энтропийного потенциала, где дополнительно учитывается базовое значение, на фоне которого рассматривается состояние неопределенности.

Способ контроля и управления состоянием неопределенности системы, основанный на анализе и целенаправленном изменении величины комплексного энтропийного потенциала L_Δ параметра системы, отличающийся тем, что определяют базовое значение параметра системы, рассчитывают величину комплексного энтропийного потенциала L_Δ в соответствии с зависимостью

L_Δ=(σ·K_э)/Х_n,

определяют изменение ее после каждого этапа эволюции или управления системой по величине приращения или дифференциала комплексного энтропийного потенциала, управляют состоянием неопределенности системы по величине L_Δ путем изменения настроек базового значения, задающих диапазон изменения параметра или его предельного значения, или величину его математического ожидания, или величину уставки регулятора, или его номинальное значение, или базовую величину энтропийного потенциала, где σ - величина среднеквадратического отклонения параметра системы;

К_э - энтропийный коэффициент, величина которого определяется законом распределения параметра;

X_n - базовое значение, относительно которого рассматривается состояние неопределенности.