Способ идентификации объектов в действующих системах

Способ идентификации объектов в действующих системах

Реферат

Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию и может быть использовано для экспериментального построения математических моделей каналов регулирования циклических и непрерывных технологических объектов в системах управления.

Известен комплекс методов идентификации объектов в системах управления, позволяющий строить модели объектов с применением испытательных (пробных, тестирующих) воздействий, но в то же время минимизирующие 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:

- наличие дополнительной, искусственно введенной технологической операции - предварительной оценки динамических характеристик некоторых каналов регулирования;

- затрачиваются дополнительные ресурсы - осуществляется подача управлений по исследуемому каналу. При этом расходуются ресурсы управления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ идентификации объектов сталеплавильного производства с изменением заданий (см. Идентификация объектов сталеплавильного производства с изменением заданий/ Веревкин В.И. // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. - 1999 - №3. С.24-28). В этом способе к некоторому стартовому моменту времени t_с человеком-оператором или автоматом прогнозируются траектория вектора рабочих управлений до конца технологического цикла, а также соответствующая траектория вектора выходных величин. В момент времени t_с 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.

К недостаткам относится, то, что часть цикла технологического процесса управляется по старой программе, а оставшаяся часть - по новой. Происходит нарушение режима при идентификации. При конфликтных стратегиях переход может оказаться небезударным. В результате для большого числа организационно-технологических ситуаций способ оказывается вообще непригодным.

Задачей изобретения является улучшение технического состояния объекта за счет активно-пассивного управления с одновременной, органично согласуемой с активно-пассивным рабочим управлением, идентификацией каналов регулирования.

Это достигается тем, что в способе идентификации объектов в действующих системах, включающем предварительную оценку статистических характеристик ошибок прогнозирования и регулирования, совместное прогнозирование рабочих управлений и вектора выходных величин объекта, фиксирование траекторий изменения входных и выходных переменных во времени и оценку динамических характеристик исследуемых каналов регулирования по разности траектории изменения во времени спрогнозированных и фактически полученных временных зависимостей выходных величин объекта, по разности траектории изменения во времени спрогнозированных и фактически реализованных временных зависимостей управлений и по статистическим характеристикам ошибок регулирования и прогнозирования, по нашему изобретению предварительно идентифицируют канал возмущения и оценивают статистические характеристики ошибки прогнозирования внешнего воздействия, дополнительно по ходу процесса в действующей системе прогнозируют поведение контролируемого внешнего воздействия объекта и после фиксирования качественного изменения траектории поведения внешнего воздействия на спрогнозированную траекторию изменения во времени управлений по идентифицируемому каналу регулирования наносят управление для компенсации эффекта действия этого возмущения, а оценку коэффициента передачи по каналу регулирования находят по формуле:

где α₁ - коэффициент передачи по идентифицируемому каналу регулирования «Изменение управления - изменение выходной величины объекта»;

- изменение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

Y(i) - фактически полученное значение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

- спрогнозированное значение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

α₂ - коэффициент передачи по каналу возмущения «Изменение возмущения - изменение выходной величины объекта»;

- фактически имевшее место значение контролируемого возмущения на конец i-го цикла функционирования объекта;

- спрогнозированное значение контролируемого возмущения на конец i-го цикла функционирования объекта;

- отклонение фактического значения контролируемого возмущения на конец i-го цикла функционирования объекта от спрогнозированного уровня этого возмущения ,

δ₂(i) - ошибка прогнозирования контролируемых возмущений;

ξ(i) - ошибка регулирования;

K_U(i) - компенсирующее управление по идентифицируемому каналу регулирования;

δ₁(i) - ошибка прогнозирования управлений по идентифицируемому каналу регулирования.

В заявляемом способе активное воздействие направленно в сторону, компенсирующую эффект действия по ранее идентифицированным каналам контролируемых возмущений, т.е. встречно эффекту возмущения. Зная эффект возмущения и управления, можно точно подать испытательное (управляющее) воздействие, не изменяя состояния объекта. Способ можно использовать для всех технологических объектов, а не только самоорганизующихся. Он пригоден для объектов, на которых большая часть возмущений контролируется. Например, в конвертере, зная изменение содержания кремния в чугуне и температуру чугуна, можно изменять интегральное количество кислорода и количество извести на плавку. Таким образом, формируется управление, при котором состояние объекта не ухудшается.

Предварительная идентификация каналов возмущения оказывается естественно необходимой, а не искусственно введенной операцией. В данном случае, идентификация объективно необходима для правильного назначения управлений по всем каналам регулирования, включая и идентифицируемый канал.

Процесс идентификации органично связан с процессом управления. Формируемые исследовательские воздействия совпадают с управляющими и направлены для достижения как целей идентификации, так и управления.

В качестве примера изобретения рассмотрим идентификацию каналов регулирования кислородно-конвертерного процесса:

Увеличение температуры чугуна ΔТ_ч при прочих равных условиях приводит к росту температуры стали на выпуске конвертера ΔТ_с.При шихтовке плавки учитывают этот эффект контролируемого возмущения (увеличение температуры чугуна ΔТ_ч). Предварительно идентифицировав канал этого возмущения, прогнозируют увеличение температуры стали на выпуске ΔТ_с вследствие увеличения температуры чугуна Т_ч. Далее наносят управляющее воздействие по идентифицируемому каналу регулирования - увеличение массы извести на плавку ΔG_и. Это управление имеет дуальную направленность. Во-первых, компенсирует вредное влияние возмущения. И, во-вторых, несет исследовательские функции, являясь испытательным воздействием. Кроме того, для успешной реализации способа необходимо предварительное исследование гистограмм ошибок прогнозирования изменения температуры чугуна (в данном случае - просто ошибок измерения), прогнозирования, а также регулирования изменения температуры стали на выпуске.

Рассмотрим математическое описание предлагаемого способа. При отсутствии испытательных воздействий по каналу регулирования и возмущений изменение выходной величины в конце i-го цикла функционирования объекта:

где - изменение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

Y(i) - фактически полученное значение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

- спрогнозированное значение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

ξ(i) - ошибка регулирования;

α₁ - коэффициент передачи по идентифицируемому каналу регулирования «Изменение управления - изменение выходной величины объекта»;

δ₁(i) - ошибка прогнозирования управлений по идентифицируемому каналу регулирования;

α₁·δ₁(i) - эффект неправильного прогноза управлений (из-за того, что нельзя по факту состояния объекта реализовать прогнозируемую траекторию управления).

При наличии испытательного воздействия по каналу регулирования (см. прототип изобретения):

где - изменение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

Y(i) - фактически полученное значение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

- спрогнозированное значение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

α₁ - коэффициент передачи по идентифицируемому каналу регулирования «Изменение управления - изменение выходной величины объекта»;

P(i) - пробный сигнал - дополнительное управляющее воздействие, нанесенное по идентифицируемому каналу регулирования на спрогнозированную временную зависимость рабочих управлений;

δ₁(i) - ошибка прогнозирования управлений по идентифицируемому каналу регулирования;

ξ(i) - ошибка регулирования по идентифицируемому каналу регулирования. Иначе говоря, по выходной величине объекта, относящейся к идентифицируемому каналу.

С учетом действия неизменной тенденции (тренда) контролируемых возмущений и без пробных сигналов по идентифицируемому каналу регулирования «Изменение управления - изменение выходной величины объекта»:

где - изменение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

Y(i) - фактически полученное значение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

- спрогнозированное значение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

α₂ - коэффициент передачи по каналу возмущения «Изменение возмущения - изменение выходной величины объекта»;

- спрогнозированное значение контролируемого возмущения на конец i-го цикла функционирования объекта;

δ₂(i) - ошибка прогнозирования контролируемых возмущений. Например, в качестве δ₂(i) принимают среднее по множеству значение усредненных за время каждого i-го цикла функционирования объекта разностей спрогнозированных и фактически имевших место контролируемых возмущений;

ξ(i) - ошибка регулирования по идентифицируемому каналу регулирования;

α₁ - коэффициент передачи по идентифицируемому каналу регулирования «Изменение управления - изменение выходной величины объекта»;

δ₁(i) - ошибка прогнозирования управлений по идентифицируемому каналу регулирования;

α₁·δ₁(i) - эффект от ошибок прогнозирования управлений по идентифицируемому каналу регулирования, найденный и оцененный в условиях неизменности тенденции поведения контролируемых возмущений.

С учетом действия изменений тенденции (тренда) контролируемых возмущений:

где - изменение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

Y(i) - фактически полученное значение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

- спрогнозированное значение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

α₂ - коэффициент передачи по каналу возмущения «Изменение возмущения - изменение выходной величины объекта»;

- отклонение фактического значения контролируемого возмущения на конец i-го цикла функционирования объекта от спрогнозированного уровня этого возмущения

- спрогнозированное значение контролируемого возмущения на конец i-го цикла функционирования объекта;

δ₂(i) - ошибка прогнозирования контролируемых возмущений. Например, в качестве δ₂(i) принимают среднее по множеству значение усредненных за время каждого i-го цикла функционирования объекта разностей спрогнозированных и фактически имевших место контролируемых возмущений;

ξ(i) - ошибка регулирования по идентифицируемому каналу регулирования;

α₁ - коэффициент передачи по идентифицируемому каналу регулирования «Изменение управления - изменение выходной величины объекта»;

δ₁(i) - ошибка прогнозирования управлений по идентифицируемому каналу регулирования;

α₁·δ₁(i) - эффект от ошибок прогнозирования управлений по идентифицируемому каналу регулирования, найденный и оцененный в условиях неизменности тенденции поведения контролируемых возмущений.

Окончательно, при наличии компенсируемого управления по идентифицируемому каналу регулирования К_U(i):

где - изменение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

Y(i) - фактически полученное значение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

- спрогнозированное значение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

α₂ - коэффициент передачи по ранее идентифицированному каналу возмущения «Изменение контролируемого возмущения - изменение выходной величины объекта»;

- фактически имевшее место значение контролируемого возмущения на конец i-го цикла функционирования объекта;

- отклонение фактического значения контролируемого возмущения на конец i-го цикла функционирования объекта от спрогнозированного уровня этого возмущения

- спрогнозированное значение контролируемого возмущения на конец i-го цикла функционирования объекта;

δ₂(i) - ошибка прогнозирования контролируемых возмущений;

ξ(i) - ошибка регулирования по идентифицируемому каналу регулирования;

α₁ - коэффициент передачи по идентифицируемому каналу регулирования «Изменение управления - изменение выходной величины объекта»;

δ₁(i) - ошибка прогнозирования управлений по идентифицируемому каналу регулирования;

K_U(i) - компенсирующее управление по идентифицируемому каналу регулирования.

Откуда:

Способ идентификации объектов в действующих системах, включающий предварительную оценку статистических характеристик ошибок прогнозирования и регулирования, совместное прогнозирование рабочих управлений и вектора выходных величин объекта, фиксирование траекторий изменения входных и выходных переменных во времени и оценку динамических характеристик исследуемых каналов регулирования по разности траектории изменения во времени спрогнозированных и фактически полученных временных зависимостей выходных величин объекта, по разности траектории изменения во времени спрогнозированных и фактически реализованных временных зависимостей управлений и по статистическим характеристикам ошибок регулирования и прогнозирования, отличающийся тем, что предварительно идентифицируют канал возмущения и оценивают статистические характеристики ошибки прогнозирования внешнего воздействия, дополнительно по ходу процесса в действующей системе прогнозируют поведение контролируемого внешнего воздействия объекта и после фиксирования качественного изменения траектории поведения внешнего воздействия на спрогнозированную траекторию изменения во времени управлений по идентифицируемому каналу регулирования наносят управление для компенсации эффекта действия этого возмущения, а оценку коэффициента передачи по каналу регулирования находят по формуле

где α₁ - коэффициент передачи по идентифицируемому каналу регулирования «Изменение управления - изменение выходной величины объекта»;

- изменение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

Y(i) - фактически полученное значение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

- спрогнозированное значение выходной величины объекта по идентифицируемому каналу регулирования в конце i-го цикла функционирования объекта;

α₂ - коэффициент передачи по ранее идентифицированному каналу возмущения «Изменение возмущения - изменение выходной величины объекта»;

- фактически имевшее место значение контролируемого возмущения на конец i-го цикла функционирования объекта;

- спрогнозированное значение контролируемого возмущения на конец i-го цикла функционирования объекта;

- отклонение фактического значения контролируемого возмущения на конец i-го цикла функционирования объекта от спрогнозированного уровня этого возмущения ;

δ₂(i) - ошибка прогнозирования контролируемых возмущений;

ξ(i) - ошибка регулирования;

К_U(i) - компенсирующее управление по идентифицируемому каналу регулирования;

δ₁(i) - ошибка прогнозирования управлений по идентифицируемому каналу регулирования.