Адаптивное управление системами с большим транспортным запаздыванием: [ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.00.00, кандидат наук Зайцев, Александр Владимирович

• Зайцев, Александр Владимирович
• кандидат наук
• 1992

Оглавление диссертации кандидат наук Зайцев, Александр Владимирович

I. Введение J

И. Обзор о современном состоянии проблематики. 5

2.1. Основная проблема управления системами с транспортным запаздыванием. 5

2.2. Схема Смита (Предиктор Смита). 7

2.2.1. Компенсирование влияния транспортного запаздывания. -7

2.2.2. Компенсирование влияния возмущающего воздействия на

9

управляющей величине. ^

2.2.3. Компенсирование влияния возмущающего воздействия на выходе

системы управления. ^

2.3. Оптимальное управление. **

2.4. Идентификация ARMAX модели. 12

III. Цель диссертационной работы. 13

IV. Идентификация - оценка параметров для выбранной структуры

16

модели.

4.1. Выбор структуры математической модели. 17

4.2. Расширенный LD-фильтр, оценивающий коэффициенты ARMAX

18

модели.

4.2.1. Разработка предиктора для расширенного LD-фильтра. 19

' 4.2.2. Идентификация в открытом контуре регулирования. 22

4.2.3. Идентификация в закрытом контуре регулирования. 45

4.2.4. Сравнение разработанного расширенного LD-фильтра с некоторыми выбранными методами идентификации. 70

V. Выравнивание шумового сигнала в системах с большим транспортным

72

запаздыванием.

5.1. Расчёт параметров оптимального регулятора без использования схемы

73

Смита.

5.1.1. Оптимальный регулятор, рассчитанный на задающее

75

воздействие.

5.1.2. Оптимальный регулятор, рассчитанный на импульс Дирака, входящий в фильтр C(q)/A(q).

5.2. Расчёт параметров регулятора с использованием схемы Смита. 94

5.2.1. Регулятор Смита - регулятор, рассчитанный на задающее

96

воздействие.

5.2.2. Регулятор Смита - регулятор, рассчитанный импульс Дирака,

входящий в фильтр C(q)/A(q). 101

5.3. Компенсация влияния шума, входящего в регулятор, рассчитанного на задающее воздействие с использованием схемы Смита. 105

5.4. Расчёт регулятора в схеме Смита оптимально выравнивающий входящий импульс Дирака через фильтр C(q)/A(q). 112

5.4.1. Разработка предиктора - расчёт значения составляющей величины

d 114

у k+v-l.

5.4.2. Расчёт редуцированного полинома C'(q)- 117

5.4.3. Разработка структуры контура регулирования для выравнивания

входящего шума через фильтр C(q)/A(q). 119

5.5. Расширение схемы Смита с параллельным ходом двух регуляторов. 131

5.6. Влияние нарушения предположений в управлении системами на качество переходных процессов регулирования расширенной схемы Смита. 150

VI. Возможности адаптивности расширенной схемы Смита. 157

VII. Выводы главных результатов диссертации. 161

VIII. Рекомендации для продолжения исследований. 167

169

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Адаптивное управление системами с большим транспортным запаздыванием: [»

^ В практике существует ряд технологических объектов с транспортным запаздыванием, например: в текстильной промышленности в большинстве /процессов производства химических волокон, где транспортное запаздывание возникает из-за удалённости измерительных устройств от устройств вытягивания и скорости производств материала. В химической промышленности также существуют процессы производства, которые обладают транспортным запаздыванием. Данное запаздывание возникает из-за удалённости датчиков измерения от систем подающих или смешивающих химические реактивы, а также скорости протекания химических реакций. Важную роль играет запаздывание анализа химических веществ и прежде

всего скорость самой химической реакции.

Системы управления с транспортным запаздыванием очень часто

используют так называемый регулятор Смита [47], где параметры регулятора определяются для систем без транспортного запаздывания. Для систем управления, на которые не оказывает влияние стахостическое возмущающее воздействие, управление с применением схемы Смита достаточно хорошо

зарекомендовало себя в практике [16, 45].

Также необходимо отметить, что большинство вышеприведённых технологических процессов имеет большее транспортное запаздывание. Это означает, что транспортное запаздывание является равным или большим, чем время регулирования. В связи с тем, что регулируемая величина данных технологических процессов с транспортным запаздыванием очень часто имеет составляющую шумового сигнала, то возникает необходимость исследования и решения проблем управления объектами данного типа. К ним, например, относятся такие процессы как дозировка извести и хлора в системе очистке сточных вод, управление процессами сжигания (регулирование Ш2) и т.д. Регулируемые величины у таких технологических процессов с транспортным запаздыванием содержит шумовой сигнал,

3

который может быть неизмеряемым стохастическим сигналом или представлять не контролируемое возмущающее воздействие на объект управления, имеющее постоянный характер во времени. Ряд технологических реализаций в системах управления объектами может иметь транспортное запаздывание управляющей величины, причём стохастическая возмущающая величина или постоянное возмущение не имеют одинаковое транспортное запаздывание с управляющим воздействием. Это создаёт ряд проблем при управлении системами с шумовым сигналом.

Данная работа постаралась внести свой вклад в решение проблемы управления объектами с большим транспортным запаздыванием и с неизмеряемым стохастическим возмущающим воздействием.

Заключение диссертации по теме «Технические науки», Зайцев, Александр Владимирович

Разработанная расширенная схема Смита с параллельным ходом двух регуляторов принадлежит к большому классу контуров управления, компенсирующих влияние транспортного запаздывания с помощью предиктора Смита [45, 47]. Регуляторы, встроенные в схему Смита, нашли очень широкое применение в управлении системами с транспортным запаздыванием в химической, текстильной и других отраслях

промышленности [2, 4, 45, 46].

Предложенная схема с параллельным ходом двух регуляторов, в сущности, не изменяет основную идею профессора О. Смита: компенсация влияния транспортного запаздывания с помощью включения в контур регулирования моделей объекта управления пи (модель без транспортного запаздывания) и гш (модель с транспортным запаздыванием). Отличие разработанной схемы от классической схемы Смита заключается в том, что предложенная схема содержит дополнительный контур регулирования, который также основан на предикторе Смита. Данный контур выравнивает только входящий шумовой сигнал и является параллельным второму контуру, который выравнивает изменения задающего воздействия. Параллельную работу двух регуляторов обеспечивает «компенсатор» влияния шума с предикцией, который имеет простой алгоритм.

На основании проведённого анализа и экспериментов автор предполагает и верит, что благодаря несложному алгоритму расширенной схемы Смита и благодаря тому, что классическая схема неоднократно апробировалась и использовалась в практике, предложенная схема с параллельным ходом двух регуляторов также будет применяться в тех случаях, где присутствует шумовой сигнал на выходе системы регулирования с большим транспортным запаздыванием.

Расширенную схему Смита с помощью простых преобразований можно изменить в контур регулирования с двумя регуляторами для одновременного

167

выравнивания входящего шумового сигнала и изменений задающего воздействия для объектов управления без транспортного запаздывания.

Предложенную схему регулирования с использованием адаптивного управления можно широко использовать в практике благодаря простым алгоритмам, их несложной технической реализации и малой априорной

информации об объекте управления.

В связи с тем, что на кафедре технической кибернетики Технического университета в городе Либерец продолжаются научно-исследовательские работы по управлению системами с большим транспортным запаздыванием, рекомендуем для дальнейшего улучшения результатов и практического использования расширенной схемы Смита развивать направление данной

научной проблематики.

С точки зрения управления систем с переменным во времени

транспортным запаздыванием [5, 46, 56] возможно разработать адаптивные

механизмы, которые будут уточнять или определять действительное

значение транспортного запаздывания.

Расширение задачи управления эргодическими стационарными

стохастическими системами с транспортным запаздыванием может ещё заключаться в том, что на выходе системы регулирования проявит действие возмущение постоянного характера. В данном случае появляется задача одновременного выравнивания входящего шумового сигнала и постоянного возмущающего воздействия на выходе системы при одновременных изменениях заданного значения регулируемой величины.

Можно реализовать и использовать идею параллельного хода регуляторов, работающих также на других принципах управления.

Автор полагает, что результаты данной работы помогут решить вышеуказанные проблемы и что данная работа послужит небольшим дополнением к основам параметрической идентификации систем и к теории управления системами с транспортным запаздыванием.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Зайцев, Александр Владимирович, 1992 год

Xj X TERATURA

[1] ASTROM,K.J.-WITTENMARK,B.: Computer controlled systems. Preklad. Moskva, Mir 1987.

Praha. V tisku.

[3] BESEKERSKIJ»V.A.: Cifrovye avtomati6eskye sistemy. Moskva, Nauka 1976.

[4] BONDAREV.S.A.: Razrabot*. » Jlel^f P«.-?«:

pr4ce). Moskva, MTI 1982. I 5 , BONDAREV, S . A-^AXUNOV S V -KOSTVLEVA,M . ¿-^^^^¡pazdy-

ti Moskva, 1987, No 4, s.78-80. s.287-290.

„ r-a + e of least-squares identi-

ff^tfPWtrwsr- —-

'« =.!'.',sass

ka, Moskva 1986, No.8, s. 5-24.

10, s. 97-103.

x^AXT n D i . Fxtenslon and partial optimizati-

wb*

s.1315-1326.

T »t r r MAYNE D 0. and P ALAN I SWAM I: An

11] DE SOUZA,C.E.-GOODWIN,G.C.-MAYNEa having Unk-

Adaptive Control al*or ^í*/0'^l9sl, No.3, s.327-341. nown Time Delay. Automatica, Vol.24, 1*0»,

• ,j..lífication. Parameter and State Es-[12] EYKHOFF,P•: System Identlf1Q7S timation. Preklad. Moskva, Mir 1975.

1990, No.l, 3. 3-5.

[141 GERSCH , W.-KITAGAUA ,G . : Sn,oot jj.» fá™?1™

Estimation. Automatica, Vol.25, 1989, no.*,

[15] GOODWIN,G.C.-PAYNE,R.L.: Dynamic System Id.*ÎZ periment Design and Data Analysis. Academic Press, New York

1977 .

[17]

[ 18]

[23]

[24]

[16] GURECKIJ,CH.: Analiz i sintez sistem upravlenija s zapazdy-vaniem. Maäinostroenie, Moskva 1974.

HANG,C.C.-LIM,K.W.-CHONG,B.W.: A Dual-rate Adaptive Digital Smith Predictor. Automatica, Vol.25, 1989, s. 1-16.

HANUS,B.: Rizeni dvouparametrov* soustavy s Jopravnim zPo2-dfenim. [VfzkumnA zpräva KTK-0096]. Liberec, VSST 1982.

[19] HANUS,B.-THANG.L.Q.: Regulator s poddajnou zpStnou vazbou. Automatizace, 35 (1992), Ö. 9, s. 279-283

[20] ISERMANN, R. : Digital control systems. Pfeklad. Moskva, Mir

1984.

1211 Äü f^T^L ^s^J'I^s^

1981 .

KOLMANOVSKIJ,V.B.-NOSOV V.R.: f ^

tralnogo tipa. Avtomatika i telemechanika. Moskva, Nauka, 1984, No.l, s. 5-35.

"ELEKTRONIKA-60". Moskva, MTI 1988.

Energiewirtschaft.Ergänzungsheft, Zittau 199/.

[27] KUCERA,V.: Algebraickä teorie diskretniho lineärniho Mze-ni. Academia, Praha 1978.

[28] KULAKOW,G.T.-KASTSCHJEWA,K.-MELAJEK,J.W.-KRAVBTS.V.V.: Ob-

, Regelsystemen mit modifiziertem

Smith-Vorhlltglied und Kompefsation der äußeren Störgröße

X.Sissenfchaftliche Konferenz für Energiewirtschaft.

Zittau, 1992, s. 108-110.

[291 KURZ,H.-GOEDECKE,W.: Digital Parametr -Adaptive <Control of 1 Processes with Unknown Dead Time. Automatica, Vol.17,

1981, No. 1, s. 245-252.

for°HLroi,Ss£• "perfor;an=e:M0Rini 1 J!,""lull*

s.477-504.

[32]

[33]

[34]

[35]

[36]

[37]

i telemechanika. Moskva, Nauka No.5, 1990, s.103 113. tSSnípráce]. Praha, CVUT 1983.

SSSái.

roö.XIX, 1985, 6.5.

MODRLÁK,O. : Identif ikace s ARMAX „odaien,. spr*va

KTK-013 6]. Liberec, VSST 1986.

,0.: Adaptivní íízení. Liberec, VSST 1987

Rízení procesu chlorace a vápnéní. Conference kateder techniclé kjbernetiky a automatizace. In: Sborník

MODRLAK

MODRLÁK,O kateder t Zlín, 1990.

MODRLÁK,O. : DUitane

und Chlorationsverfahren eines wass Wissens-

20-22, 1992, CVUT, s.118-121.

r í 7pní II. [Cviäeni]. Li-MODRLÁK,O.: Teorie automatickeho ruení

berec, VSST 1992.

-0LEHLA, J. : ReSení úloh ép^¡

Nakladatelství dopravy a spojú, Praha

[39]

[40]

OLEHLA,M.-VECHET,V, tistiky ve Fortranu 1982.

[41]

[42]

[43]

[44]

[45]

terns with s. 107-116.

„ u * nfoHai Dead Time Compensator Control-^M°?¿r'Ja; «asa of8 "abXe Syltems.Automática, Vol.22,

1986, No.5, s. 587-591. ce]. Praha, CSAV ÚTIA, 1975. k^ch procesü. Praha, CSAV UTIA 1982.

PETERKA, v . jy0¿_ni^kroprocesorovou regulaci

control, pfeklad. Moskva, Mir

RAY,W.H.: 1983.

Advanced process

Razrabotka sistemy avtomatiöeskogoupray-

RUMJANCEV, JU.D. : Raz"DO™* Töeskich volokon. [Kandi-

lenija processom proizvodstva ^¿J";1®^« dátská disertaöni práce]. Moskva, MTILP 1990.

f

[47]

[48]

[49]

[50]

[51]

[52]

[53]

[54]

[55]

[56]

[57]

[58] I 59 ] [60]

[61]

SMITH,O.J.M.: Closer control of loops with dead time. Chem. Engng.Progr., 53, 1957, No.5, s. 217-219.

SMITH,O.J.M.: Avtomatifieskoe regulirovanie. Pfeklad. Moskva, Fizmatgiz 1962.

THANG, L. Q.: Robust adaptive control. [Kandid^tsk* disertafi-ni prace]. Praha, CVUT 1991.

SiilSi .9... NO.,,

s. 773-780.

s. 199-202.

UTKIN.B. I .-VOSTR1KOV Af ^¡^ ¿E iSom!»"; SABANOVIC A -BONDAREV S A^-SPlVAK L « IZOSIM^ ^

"control avtomatlzacija. Mo,*-

va, vyp.1(53), 1985, 3.74-84.

VORONOV,A.A.:Osnovy t.orli avtom.tl6e.kogo regullrovanija. Moskva, Energoizdat 1981.

for

WANG,S.S.-CHEN,B.S.: ?pt imal model-matching control for time-delay systems. Ing.J.Control, Vol. */,

s.883-894.

WARWICK,K.:Adaptive deadbeat control of .tochn.tic sy.tenm. Tit 5 control, vol.44, 1986, No.3, s.651-663.

zajcev a v : Adaptivnaja sistema upravlenija processom pro-izvodstva optiöeskogo steklovolokna. [Diplomov* price]. Moskva, MTI 1985.

7atcfv A V • Algebraickä synt*za Mzeni sous-

tav ivjziumnä zpräva-KTK 0211]. Liberec, VSST 1990.

hanus,b. : Rychlä robustni adaptivni regulace. <v*.k«a* zpräva KTK-0183). Liberec, VSST 1989.

WAKI* R - ZAJCEV,A.V. - BAK0S0VÄ,M. - ZEMANOVIC0VÄ,A. -KArIaioväD^skuse .... Automatizace. Praha. V tisku.

tamfpfk b • N4vrh vhodnfch zpüsobü Hzeni vySäiho typu 0?5S№ tfpuradaPtivniho pro energetic^ procesy. (Kan-didätskä disertaöni präce). Praha, CVUT 1984

M0DRLÄK,0.-ZAJCEV,A.V.: ^örungskompensation im Smithregler. Regelungstechnisches Kolloquium. Zittau 199/.