Способ идентификации объектов в действующих системах

Способ идентификации объектов в действующих системах относится к области автоматического управления и регулирования и может быть использован для экспериментального построения математических моделей каналов регулирования циклических и непрерывных технологических объектов в системах управления. Задачей изобретения является улучшение технического состояния объекта. Способ включает предварительную оценку статистических характеристик ошибок прогнозирования и регулирования, совместное прогнозирование рабочих управлений и вектора выходных величин объекта. Предварительно идентифицируют канал возмущения и оценивают статистические характеристики ошибок прогнозирования внешнего воздействия. Дополнительно по ходу процесса в действующей системе прогнозируют поведение контролируемого внешнего воздействия объекта. 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. На основании полученных данных оценивают коэффициент передачи по каналу регулирования.

 

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.