СПОСОБ АКТИВНО-ПАССИВНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ СО СМЕНОЙ ДЕЙСТВУЮЩИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ Российский патент 2012 года по МПК G05B13/04 

область применения

Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию и может быть использовано для построения моделей каналов регулирования циклических и непрерывных технологических объектов, прежде всего в эргатических системах управления.

Уровень техники

Известен способ идентификации объектов, в котором пробный сигнал наносится на прогнозируемые рабочие управления для оценки характеристик каналов регулирования [1]. Прогнозирование траекторий рабочего управления и заданий на выходные переменные делается для конечных интервалов времени управления процессом. При этом учитывается вся доступная информация к моментам нанесения пробных воздействий. Активное экспериментирование чередуется случайным образом с обычным функционированием промышленных систем. На интервале ожидаемого проявления эффектов пробных воздействий целесообразно размыкать регулирующие обратные связи, осуществляемые как автоматически, так и через человека, а контуры управления по возмущениям должны функционировать в обычном режиме.

Недостатком этого способа является то, что идентификация объекта приводит к ошибкам, за счет своего стремления компенсировать эффекты действия пробных сигналов воздействием по другим каналам управления, либо предоставления ложной информации о прогнозе рабочих управлений и траектории вектора выходных величин. В этих условиях сложно, а зачастую и невозможно гарантировать выполнение условий эксперимента на протяженный отрезок времени функционирования объекта. В результате ошибка в оценках динамических характеристик каналов регулирования может стать соизмеримой с самим полезным сигналом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ идентификации металлургических объектов с изменением заданий, согласно которому при активной идентификации наносится пробное воздействие по каналу заданий [2]. В этом способе к некоторому стартовому моменту времени t_c человеком-оператором или автоматом прогнозируются траектория вектора рабочих управлений до конца технологического цикла, а также соответствующая траектория вектора выходных величин. В момент времени t_c по команде вышестоящей управляющей системы изменяется задание, например, марка стали и способ ее разливки. Далее эргатическая система управления функционирует в обычном режиме. В соответствии со сменой внешнего задания человек-оператор корректирует собственную цель - требуемое значение вектора выходных величин объекта («точку прицеливания»). Он отказывается от первоначально намеченной траектории вектора управлений и изменяет ее для достижения новой цели. В качестве отклика рассматривается отклонение фактического значения результирующей выходной величины от прогнозируемой уставки на конец интервала памяти системы управления. Изменение траектории рабочих управлений относительно ранее прогнозируемой траектории одновременно является и изменением во времени пробного воздействия, представляющего собой направленный на достижение целей идентификации фрагмент управлений, а также траекторию дополнительных управлений, т.е. на приведение выходной величины в конце технологического цикла к новому заданному значению.

Однако для успешной идентификации объектов принудительное изменение задания со стороны системы, находящейся на более высокой ступени административно-производственной иерархии, требует от этой вышестоящей системы управления хорошего знания технологического процесса, протекающего в объекте, свойств и текущего состояния объекта, а также высокого умения и навыков управления идентифицируемым объектом. Их незнание может приводить к неквалифицированным изменениям задания. В отдельных случаях новые задания могут оказаться просто невыполнимыми.

Сущность изобретения

Целью изобретения является повышение качества идентификации действующих объектов управления за счет того, что с определенного момента времени объектом управляют с использованием новой системы управления, перед проведением которой дополнительно оценивают ошибки регулирования новой системы управления объектом, а коэффициент передачи по каналу регулирования.

Для этого в способе активно-пассивной идентификации объектов со сменой действующих систем управления объектами, включающем управление объектом с использованием действующей системы управления, измерение вектора рабочих управлений и векторной выходной величины объекта до конца технологического цикла для объекта с циклическим процессом управления или на интервал времени, превосходящий либо равный интервалу памяти системы управления для объекта с непрерывным процессом управления, предварительную оценку ошибок прогнозирования вектора рабочих управлений, а также ошибок регулирования действующей системы управления объектом, прогнозирование к стартовому моменту времени t_c прогнозатором вектора рабочих управлений и соответствующей траектории вектора выходных величин объекта до конца технологического цикла для объекта с циклическим процессом управления или на интервал времени, превосходящий либо равный интервалу памяти системы управления, для объекта с непрерывным процессом управления, дополнительно начиная с момента времени t_c, объектом управляют с использованием новой системы управления, перед проведением эксперимента оценивают ошибки регулирования новой системы управления объектом, а коэффициент передачи по каналу регулирования находят по формуле:

где a ₁ - коэффициент передачи по i-му идентифицируемому каналу регулирования «Изменение управляющего воздействия - изменение выходной величины объекта»;

- изменение выходной величины объекта по i-му идентифицируемому каналу регулирования в конце цикла функционирования объекта с циклическим процессом управления или в конце интервала времени памяти системы управления, для объекта с непрерывным процессом управления:

- прогнозируемая выходная величина объекта по i-му идентифицируемому каналу регулирования в конце цикла функционирования объекта с циклическим процессом управления или в конце интервала времени памяти системы управления, для объекта с непрерывным процессом управления;

- измеренное значение выходной величины объекта по i-му идентифицируемому каналу регулирования в конце цикла функционирования объекта с циклическим процессом управления или в конце интервала времени памяти системы управления для объекта с непрерывным процессом управления;

- ошибка регулирования первоначальной (исходной) системы управления;

- ошибка регулирования новой системы управления по i-му идентифицируемому каналу регулирования;

- изменение рабочих управлений по i-му идентифицируемому каналу регулирования:

- прогнозируемое рабочее управление объекта по i-му идентифицируемому каналу регулирования;

- измеренное значение рабочего управления объекта по i-му идентифицируемому каналу регулирования;

- ошибка прогнозирования рабочих управлений по i-му идентифицируемому каналу регулирования.

Если эргатический объект относится к сложным (нелинейным, нестационарным, плохонаблюдаемым, слабоуправляемым, с детерминировано-непрерывным характером управлений, и т.п.), то на него невозможно строго однозначно назначать управляющие воздействия. В таких случаях каждая система управления объектом обладает весьма специфическим «подчерком», спецификой управления одним и тем же объектом. Причем технологические инструкции по управлению такого рода объектами предусматривает подобную многовариантность управления. Основная идея изобретения построена именно на различии управлений нескольких систем управления одним и тем же объектом.

В указанных условиях одна (существующая, старая) система управления объектом начинает процесс управления, а новая (другая), начиная с момента времени t_c, продолжает ее. Причем смена системы управления может происходить как искусственно, так и естественно - при передаче смены от одного человека-оператора, участвующего в управлении объектом, к другому человеку-оператору. В обоих вариантах эффект повышения качества идентификации действующих объектов управления достигается путем не изменения задания от системы, находящейся на более высокой ступени административно-производственной иерархии, а введением новой системы управления. При этом управляющие воздействия изменяются по плану и по желанию самого технологического персонала, а не по команде от системы, находящейся на более высокой ступени административно-производственной иерархии. В результате обеспечивается условия для более полной реализации собственных планов технологического персонала, максимально раскрывающих его способности и возможности. Снятие ограничений на ход технологического процесса, обуславливающих и вытекающих из этого ограничений на управления объектом, вводит процесс идентификации в русло обычной, хорошо изученной и освоенной нормальной эксплуатации этого объекта.

Способ реализуется следующим образом.

Объектом, канал регулирования которого требуется идентифицировать, управляют с использованием действующей эргатической (человеко-машинной) системы управления. В начале исследования известным способом предварительно оценивают ошибку прогнозирования вектора рабочих управлений. Например, для этого привлекаемый к прогнозированию рабочих управлений прогнозатор (тот же человек-оператор, осуществляющий и управление объектом, целый коллектив, коллегиально выполняющий функции прогнозатора, либо автоматическое устройство, либо человеко-машинный комплекс и т.д.) многократно прогнозирует рабочие управления до конца технологического цикла для объекта с циклическим процессом управления или до истечения интервала времени, превосходящего либо равного интервалу памяти системы управления для объекта с непрерывным процессом управления. Затем отдельно по каждому рабочему управлению по множеству таких измерений находят средневыборочное оценочное значение ошибки прогнозирования конкретного рабочего управления по идентифицируемому каналу регулирования. Найденное значение ошибки прогнозирования характеризует возможности конкретного используемого прогнозатора рабочих управлений.

Также предварительно известным способом находят ошибки регулирования действующей системы управления объектом. Для этого в процессе предварительных исследований векторную выходную величину объекта измеряют вплоть до конца технологического цикла для объекта с циклическим процессом управления или до истечения интервала времени, превосходящего либо равного интервалу памяти системы управления для объекта с непрерывным процессом управления. При этом, например, для циклического процесса, человек-оператор информирует исследовательскую систему о «точке прицеливания» - заданном значении выходной величины объекта на конец данного цикла работы этого объекта. После окончания цикла управления объектом фиксируют измеренное фактическое значение выходной величины объекта. Опыты повторяют несколько раз. Затем отдельно по каждой выходной величине по множеству таких измерений находят средневыборочное оценочное значение ошибки регулирования конкретной выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования. Найденное значение ошибки регулирования характеризует возможности конкретной действующей эргатической (человеко-машинной) системы управления объектом.

В течение всей основной части исследования вектор рабочих управлений и векторную выходную величину объекта измеряют вплоть до конца технологического цикла для объекта с циклическим процессом управления или до истечения интервала времени, превосходящего либо равного интервалу памяти системы управления для объекта с непрерывным процессом управления. К стартовому моменту времени t_c с помощью того же прогнозатора, который использовался на предварительной части исследования, прогнозируют вектор рабочих управлений. Также к стартовому моменту времени t_c действующая человеко-машинная система управления объектом прогнозирует траекторию вектора выходных величин объекта до конца технологического цикла для объекта с циклическим процессом управления или на интервал времени, превосходящий либо равный интервалу памяти системы управления, для объекта с непрерывным процессом управления.

Кроме того, перед проведением эксперимента, по аналогии с вышесказанным, дополнительно оценивают ошибки регулирования новой системы управления объектом - т.е. той системы управления, которой предстоит продолжать управлять объектом вместо действующей до момента времени t_c системы управления.

Далее к моменту времени t_c производят замену системы управления объектом. Затем объектом управляют с использованием новой системы управления, продолжая измерять рабочие управления и выходную величину объекта управления. Коэффициент передачи по каналу регулирования находят по математическому выражению (1).

В качестве примера изобретения рассмотрим идентификацию каналов регулирования мартеновского процесса получения стали. Технологический процесс выплавки длится от 8 до 14 часов в зависимости от выплавляемой марки, способа разливки стали, особенностей конструкции печи и применяемой технологии выплавки стали. При таком длительном процессе выплавки стали промежуточные пересменки обслуживающего персонала являются естественно необходимыми. Смена человека-оператора (сталевара печи), а также его помощников (первого помощника и второго помощника сталевара), как правило, ведет к изменению подхода к управлению печью, численных значений наносимых на нее управляющих воздействий. В результате становится возможным применение предложенного способа идентификации каналов регулирования объекта управления - мартеновского процесса производства стали в конкретной мартеновской печи. Функции прогнозатора при этом, как правило, выполняет сам сталевар. Поскольку химический состав расплава в печи, его температура измеряются по ходу выплавки стали, то при идентификации объекта становится возможным представить не только влияние рабочих управлений на выходные величины в конце технологического цикла (прежде всего, химический состав и температуру стали на выпуске печи) мартеновского процесса, но и на промежуточные состояния расплава.

Поскольку свойства каждого канала регулирования зависят от применяемой в данный период выплавки стали технологии (а она по периодам выплавки существенно меняется), то при идентификации такого рода объектов целесообразно фиксировать период обработки. При этом получаемые математические описания каналов регулирования объектов носят условный характер. Например, идентифицируют канал регулирования «Изменение расхода мазута в окислительный период - изменение температуры стали на выпуске печи», либо «Изменение расхода мазута в окислительный период - изменение температуры расплава по истечению одного часа работы печи».

Для успешной реализации предложенного способа во время эксперимента на объекте необходимо обеспечить известным способом практическое затухание переходных процессов, происходящих вследствие смены рабочих управлений на выходе объекта при смене системы управления. Для чего известным способом требуется получение предварительных сведений об объекте, касающихся длительности практического затухания переходных процессов, когда остаточные колебания исследуемой выходной величины объекта будут находиться в пределах численных значений эффектов помехи. Другим условием успешной реализации способа является значимость отличия рабочих управлений действующей (предыдущей) и новой (последующей) систем управлений. Эффект смены управлений объекта должен значимо выделяться на фоне эффектов помехи.

Способ прост и удобен в реализации. Основное достоинство способа состоит в непринудительном характере самих экспериментов.

Источники информации

1. 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.

2. Идентификация металлургических объектов с изменением заданий / Веревкин В.И. // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. - 1999 - №3. С.24-28.

Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию. Техническим результатом является повышение качества идентификации действующих объектов управления. Способ активно-пассивной идентификации объектов со сменой действующих систем управления объектами содержит управление объектом с использованием действующей системы управления, измерение вектора рабочих управлений и векторной выходной величины объекта до конца технологического цикла для объекта с циклическим процессом управления или на интервал времени, превосходящий либо равный интервалу памяти системы управления для объекта с непрерывным процессом управления, предварительную оценку ошибок прогнозирования вектора рабочих управлений, а также ошибок регулирования действующей системы управления объектом, прогнозирование к стартовому моменту времени t_c прогнозатором вектора рабочих управлений и соответствующей траектории вектора выходных величин объекта до конца технологического цикла для объекта с циклическим процессом управления или на интервал времени, превосходящий либо равный интервалу памяти системы управления, для объекта с непрерывным процессом управления, дополнительно начиная с момента времени t_c объектом управляют с использованием новой системы управления, перед проведением эксперимента оценивают ошибки регулирования новой системы управления объектом, а коэффициент передачи по каналу регулирования находят по формуле.

Способ активно-пассивной идентификации объектов со сменой действующих систем управления объектами, включающий управление объектом с использованием действующей системы управления, измерение вектора рабочих управлений и векторной выходной величины объекта до конца технологического цикла для объекта с циклическим процессом управления или на интервал времени, превосходящий либо равный интервалу памяти системы управления для объекта с непрерывным процессом управления, предварительную оценку ошибок прогнозирования вектора рабочих управлений, а также ошибок регулирования действующей системы управления объектом, прогнозирование к стартовому моменту времени t_c прогнозатором вектора рабочих управлений и соответствующей траектории вектора выходных величин объекта до конца технологического цикла для объекта с циклическим процессом управления или на интервал времени, превосходящий либо равный интервалу памяти системы управления, для объекта с непрерывным процессом управления, отличающийся тем, что с определенного момента времени t_c объектом управляют с использованием новой системы управления, перед проведением эксперимента дополнительно оценивают ошибки регулирования новой системы управления объектом, а коэффициент передачи по каналу регулирования находят по формуле:

где a₁ - коэффициент передачи по i-му идентифицируемому каналу регулирования «Изменение управляющего воздействия - изменение выходной величины объекта»;
- изменение выходной величины объекта по i-му идентифицируемому каналу регулирования в конце цикла функционирования объекта с циклическим процессом управления или в конце интервала времени памяти системы управления для объекта с непрерывным процессом управления:

- прогнозируемая выходная величина объекта по i-му идентифицируемому каналу регулирования в конце цикла функционирования объекта с циклическим процессом управления или в конце интервала времени памяти системы управления для объекта с непрерывным процессом управления;
- измеренное значение выходной величины объекта по i-му идентифицируемому каналу регулирования в конце цикла функционирования объекта с циклическим процессом управления или в конце интервала времени памяти системы управления для объекта с непрерывным процессом управления;
- ошибка регулирования первоначальной (исходной) системы управления;
- ошибка регулирования новой системы управления по i-му идентифицируемому каналу регулирования;
- изменение рабочих управлений по i-му идентифицируемому каналу регулирования:

- прогнозируемое рабочее управление объекта по i-му идентифицируемому каналу регулирования;
U₂(i) - измеренное значение рабочего управления объекта по i-му идентифицируемому каналу регулирования;
δ₁(i) - ошибка прогнозирования рабочих управлений по i-му идентифицируемому каналу регулирования.