Способ и устройство оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта
Владельцы патента RU 2422873:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ГОУ ВПО "ТГТУ" (RU)
Данная группа изобретений относится к области структурного распознавания образов и может быть использована в автоматизированных системах оперативной диагностики технического и функционального состояний многопараметрического объекта по данным измерительной информации. Технический результат заключается в улучшении метрологической и технологической эффективности за счет автоматического оптимального управления энергосбережением. Он достигается тем, что предложен способ оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта, заключающийся в том, что представляют результаты полного анализа процессов динамики оптимального управления объектом в виде когнитивного графического образа эквивалентов оптимального управления, которое формируют в адресном пространстве кодовой матрицы постоянного запоминающего устройства. Данный образ затем используется для синтеза в масштабе реального времени энергосберегающих управляющих воздействий при любых изменениях состояний функционирования многопараметрического объекта в оцениваемом диапазоне с заданной точностью синтезируемых воздействий, регламентируемых погрешностью образцовых сигналов. Также предложено устройство оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта. 2 н.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.
Группа изобретений относится к области структурного распознавания образов и может быть использована в автоматизированных системах оперативной диагностики технического и функционального состояний многопараметрического объекта по данным измерительной информации.
Известны способ и устройство оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта децентрализованного типа [см. кн. Электрические измерения. / Под ред. В.Н.Малиновского. - М.: Энергоиздат, 1982. - С.377-378]. В способе все сигналы дифференцируют по индивидуальным функциям, которые выполняют заранее заданную операцию над информационным сигналом. Устройство организовано по магистральной структуре, соединяющей через устройство связи объект с ЭВМ и транслятором.
Недостатками этих решений являются рассредоточение информации по разным индивидуальным функциональным структурам с широкой номенклатурой, чрезмерная усложненность устройства, невозможность оперативного динамического анализа результирующих переменных вследствие независимости информационных каналов друг от друга.
Известны также способ и устройство централизованного динамического контроля и анализа состояний многопараметрического объекта [см. кн. Теория автоматического управления./ Под ред. Ю.М.Соломенцева. - М.: Высшая школа, 2000. - С.202-204]. Способ заключается в программно управляемом контроле и анализе состояний объекта на основе библиотеки программ, совместно с программой-диспетчером по заранее определенному порядку или в зависимости от текущих значений технологических параметров, с последующим выбором одной из имеющихся в библиотеке рабочих программ. Устройство организовано на базе информационно-измерительной системы с кольцевой структурой последовательно включенных интерфейса ввода данных, ЭВМ, исполнительного преобразователя, измерительных преобразователей, средства отображения, функционирующих в соответствии с командами оператора или программы-диспетчера.
Их недостатками являются низкая оперативность в выполнении команд и процедур, необходимых для оценки работы системы и ее коррекции, дорогостоящее программное и аппаратное обеспечение и сложность оперативной комплексной оценки поступающей информации.
За прототип принят способ оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта [см. патент №2134897 (РФ), ПМК G05B 19/408, G06F 17/40, опубликован 1999.08.20], заключающийся в измерении и оценке интегрального состояния многопараметрического объекта по графическому образу когнитивной матрицы, преобразовании результатов допусковой оценки разнородных динамических параметров в соответствующие информационные сигналы с обобщением по всему множеству параметров в заданном временном интервале и определении относительной величины и характера изменения интегрального состояния многопараметрического объекта.
За прототип реализации способа принято устройство оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта [см. кн. Теория автоматического управления. / Под ред. Ю.М.Соломенцева. - М.: Высшая школа, 2000. - С.207], содержащее устройство управления, генератор импульсов, соединенный с тактовым входом счетчика импульсов, усилитель, блок питания, многопараметрический объект, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен через усилитель к исполнительным механизмам многопараметрического объекта, управляющий выход допускового контроля которого соединен с управляющими входами режимов энергопотребления блока управления, управляющий выход энергопотребления которого соединен с соответствующим входом блока питания. Оператор с помощью ЭВМ осуществляет контроль выходных параметров процесса и варьирует диапазоны допустимого изменения воздействий на многопараметрический объект.
Недостатками прототипов являются низкая метрологическая и технологическая эффективность, а также отсутствие энергетической эффективности технологического оборудования с минимумом затрат энергии из-за невозможности автоматического принятия решений в масштабе реального времени, в том числе реализации адаптивных управляющих воздействий по результатам анализа цветокодовой матрицы состояний исследуемого объекта с минимумом затрат энергии.
Технической задачей предлагаемых способа и устройства является улучшение метрологической и технологической эффективности за счет автоматического оптимального управления энергосбережением, использующего для синтеза в масштабе реального времени энергосберегающих управляющих воздействий при любых изменениях состояний многопараметрического объекта в анализируемом диапазоне с заданной точностью синтезируемых воздействий, регламентируемых погрешностью образцовых сигналов.
Поставленная техническая задача достигается тем, что:
П1. В способе оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта, заключающемся в измерении и оценке общего состояния многопараметрического объекта по графическому образу когнитивной матрицы {Ф}={L1*L2}, в отличие от прототипа представляют результаты полного анализа процессов динамики оптимального управления объектом, описываемой моделью двойного апериодического звена с минимизируемым функционалом по затратам энергии, в виде когнитивного графического образа эквивалентов оптимального управления, который формируют в адресном пространстве кодовой матрицы постоянного запоминающего устройства, а затем используют для синтеза в масштабе реального времени энергосберегающих управляющих воздействий при любых изменениях состояний функционирования многопараметрического объекта в оцениваемом диапазоне с заданной точностью синтезируемых воздействий, регламентируемых погрешностью образцовых сигналов, где L1 - множество управляющих воздействий, L2 - меры оценки затрат на управление.
П2. Устройство по п.1, содержащее блок управления, генератор импульсов, соединенный с тактовым входом счетчика импульсов, усилитель, блок питания, многопараметрический объект, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен через усилитель к исполнительным механизмам объекта, управляющий выход допускового контроля которого соединен с управляющими входами режимов энергопотребления устройства управления, управляющий выход энергопотребления которого соединен с соответствующим входом блока питания, в отличии от прототипа дополнительно содержит постоянное запоминающее устройство и шифратор, соединенный по входам с выходом датчиков объекта, а по выходам - со старшими адресными разрядами постоянного запоминающего устройства, соединенного младшими адресными разрядами с выходами счетчика, а выходная шина постоянного запоминающего устройства связана с информационными входами цифроаналогового преобразователя, управляющий вход которого соединен с управляющим информационным выходом устройства управления, управляющий тактовый выход которого связан с соответствующим входом генератора импульсов.
Способ и устройство представлены на фиг.1-4.
Сущность предлагаемого способа оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта (см. фиг.1-4) заключается в измерении и оценке общего состояния объекта, информация о котором представлена в виде когнитивного графического образа эквивалентов оптимального управления {Ф}={L1*L2} (фиг.1), формируемого по данным диагностической информации (фиг.2, кривая z) с последующим синтезом энергосберегающих управляющих воздействий в масштабе реального времени (фиг.3, кривая u*).
Результаты полного анализа процессов динамики оптимального управления объектом представляют в виде образов эквивалентов (фиг.1), которые формируют в адресном пространстве кодовой матрицы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Этот образ находят априори из полного анализа процессов динамики оптимального управления объектом, описываемой моделью двойного апериодического звена с минимизируемым функционалом по затратам энергии. Использование когнитивного графического образа эквивалентов оптимального управления позволяет исключить процедуру анализа оптимального управления при динамическом анализе состояний многопараметрического объекта в реальном масштабе времени, тем самым значительно понизить требования к техническим средствам, реализующим управление.
Поясним предлагаемый способ на примере оптимального управления динамическим процессом электрооборудования. Процесс динамики электрических нагревателей и электродвигателей может быть описан системой дифференциальных уравнений
где z1 и z2, представляют собой фазовые координаты, параметры a1 и a2 характеризуют инерционность объекта управления, параметр b - коэффициент усиления управляющего воздействия u(t).
Для определения оптимальных управляющих воздействий u*, реализующих оптимальное энергосберегающее управление по переводу многопараметрического объекта из начального состояния 
в конечное 
, при заданной скорости изменения данной фазовой координаты от 
до 
, необходима сложная двухэтапная процедура, состоящая из анализа и синтеза оптимального управления в реальном масштабе времени.
Анализ оптимального управления охватывает широкий круг задач, связанных с исследованиями вопросов существования решения, устойчивости, определения возможных видов функций оптимального управления и множество других задач. Выполнение процедуры анализа оптимального управления требует сложных алгоритмических и математических расчетов и, как следствие, дорогостоящих высокопроизводительных микропроцессорных технических средств. Это является препятствием к оперативному динамическому анализу состояний многопараметрического объекта.
Получаемые результаты анализа оптимального управления на множестве состояний функционирования служат основой для построения когнитивного графического образа, применяемого в дальнейшем для построения устройств энергосберегающего управления различными динамическими объектами. Для выполнения процедуры анализа оптимального управления в системе заданы исходные данные для решения задачи, представленные в виде массива реквизитов
Результатом анализа является получение когнитивного образа в виде цветокодовой матрицы {Ф}={L1*L2} областей существования управлений (фиг.1). Вид минимизируемого функционала сохраняется на всем временном интервале управления
управляющее воздействие на заданном временном интервале ограничено
где uн - нижний порог управляющего воздействия; uв - верхний порог управляющего воздействия.
Следовательно, управление ограничено, в каждый момент времени концы траектории изменения фазовых координат закреплены и временной интервал фиксирован.
Из полученного на основе полного анализа когнитивного графического образа (фиг.1) областями, для которых существует оптимальное управление, будут являться области I, II, III, IV, V, VI, VII.
Синтез управляющих воздействий осуществляется по результатам полного анализа, проведенного априори и представленного в виде когнитивного графического образа {Ф}={L1*L2}, сформированного в адресном пространстве кодовой матрицы L1*L2 ПЗУ устройства управления, по массиву исходных данных реквизитов задачи оптимального управления (2).
В результате процедуры синтеза оптимального управления определяем область (фиг.1), в которую попадает точка S с координатами (L1, L2). Каждой области соответствует определенный вид функции управления.
В случае если оптимальное управление не найдено, т.е. координаты точки S=(L1, L2) не принадлежат областям I-VII когнитивного графического образа, то осуществляется автоматический перевод устройства управления из оптимального в традиционный для многопараметрического объекта режим функционирования.
На фиг.4 представлена функциональная схема устройства, включающая в себя многопараметрический объект 1, блок управления 2, генератор импульсов 3, счетчик 4, ПЗУ 5, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 6, усилитель 7, шифратор 8, блок питания 9.
ЦАП 6 подключен через усилитель 7 к исполнительным механизмам многопараметрического объекта 1. Управляющий выход допускового контроля многопараметрического объекта 1 соединен с управляющими входами режимов энергопотребления блока управления 2, его управляющий выход энергопотребления соединен с соответствующим входом блока питания 9. Шифратор 8 соединен по входам с выходом датчиков многопараметрического объекта 1, а по выходам - со старшими адресными разрядами ПЗУ 5, соединенного младшими адресными разрядами с выходами счетчика 4. Выходная шина ПЗУ 5 связана с информационными входами ЦАП 6, управляющий вход которого соединен с управляющим информационным выходом блока управления 2, его тактовый выход связан с соответствующим входом генератора импульсов 3.
Заявляемый способ реализуется устройством оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта следующим образом.
С управляющего выхода допускового контроля многопараметрического объекта 1 на управляющий вход режимов энергопотребления блока управления 2 подаются сигналы управления питанием схемы устройства, переводящие его в режимы "включено", "выключено" или "ожидание", а с управляющего выхода энергопотребления блока управления 2 на вход блока питания 9 подаются сигналы, соответствующие заданным режимам работы устройства - "включено", "выключено" или "ожидание". Блок питания 9 осуществляет питание всех функциональных блоков 1-8 устройства в соответствии с заданным режимом. "Включено" - питание подается на все блоки устройства, "выключено" - устройство обесточено, "ожидание" - осуществляется перевод устройства в режим малого энергопотребления, при котором функционирует только блок управления 2. В этом случае устройство способно выйти на рабочий режим значительно быстрее, чем из состояния "выключено". С тактового выхода блока управления 2 на соответствующий вход генератора импульсов 3 поступает сигнал включения или отключения генератора импульсов 3, тактовые импульсы которого поступают на тактовый вход счетчика 4.
С выходов датчиков многопараметрического объекта 1 на входы шифратора 8 подаются сигналы, соответствующие массиву реквизитов (2) задачи оптимального управления. С выходов шифратора 8 кодовая последовательность, соответствующая массиву реквизитов, подается на старшие адресные разряды An ПЗУ 5, представляющие собой адресную группу одной из семи зон I-VII когнитивного графического образа (фиг.1) областей оптимального управления. Каждой зоне соответствует определенный вид функции оптимального управления.
Формирование сигнала оптимального управления многопараметрическим объектом 1 осуществляется путем перебора счетчиком 4 адресов младшей адресной группы Аm ПЗУ 5, где записана функция оптимального управления, соответствующая выбранной зоне когнитивного графического образа (фиг.1) адресного пространства Аn. На выходной шине ПЗУ 5 формируются кодовые комбинации N(Am+Аn), соответствующие управляющему воздействию на многопараметрический объект 1, которые преобразуются в аналоговый сигнал ПАП 6 и нормируются усилителем 7.
В случае если оптимальное управление не найдено, т.е. координаты точки L=(L1, L2) не принадлежат ни одной из семи областей когнитивного графического образа (фиг.1), с управляющего информационного выхода блока управления 2 на управляющий вход ЦАП 6 подается сигнал, переключающий устройство в традиционный режим управления.
Докажем эффективность предлагаемых способа и устройства оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта относительно прототипа. Теоретические исследования и практические результаты показывают, что при оптимальном управлении уменьшение затрат энергии может достигать от 5% до 40% по сравнению с традиционно используемыми управляющими воздействиями [см. Аджиев М.Э. Энергосберегающие технологии. - М.: Энергоатомиздат, 1990. 64 с.; Аракелов В.Е., Кремер А.И. Методические вопросы экономии энергоресурсов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. 188 с.] В качестве примера рассмотрим перевод теплового объекта - нагревательной плиты из начального состояния 
в конечное 
с минимумом затрат энергии.
Массив реквизитов для анализа энергосберегающего управления приведен в таблице 1.
| Таблица №1 | |
| Исходные данные эксперимента | |
| Параметр | Значение |
| a1 | -0,10 |
| a2 | -1,10 |
| b | 1,00 |
| t0 | 0 |
| tk | 5,00 |
| uн | 0 |
| uв | 200,00 |
|
15,00 |
|
320,00 |
|
0 |
|
140 |
| IЭ | 104000 |
IЭ - функционал (лимит) затрат энергии при традиционном управлении (фиг.3, кривая u). Следовательно, задача заключается в определении такого управления, которое обеспечит перевод объекта из начального состояния в конечное с минимумом затрат энергии (2).
В результате проведения полного анализа оптимального управления получаем цветокодовую матрицу в виде образов эквивалентов множества состояний оптимального управления (фиг.1).
Далее когнитивный графический образ формируют в адресном пространстве кодовой матрицы постоянного запоминающего устройства в виде образов эквивалентов множества состояний оптимального управления.
На следующем этапе осуществляется операция синтеза, в результате чего получаем координаты точки S (фиг.1, таблица №2), и в соответствии с координатами полученной точки осуществляется выбор вида функции управления и осуществляется ее реализация (фиг.2, кривая z* таблица №3).
| Таблица №2 | |
| Результаты эксперимента | |
| Параметр | Значение |
| L1 | 0,38117 |
| L2 | 43,22061 |
| Номер зоны | IV |
| I | 65672 |
На фиг.2 и в таблице №3 приведены зависимости, отображающие изменение температуры нагревательной системы при традиционном и оптимальном управлении.
| Таблица №3 | ||||
| Результаты эксперимента | ||||
| t, мин | Традиционное управление | Энергосберегающее управление | ||
| z, °C | u, B | z*, °С | u*, В | |
| 0 | 15,0 | 200,00 | 15,0 | 51,4 |
| 0,2 | 18,6 | 200,00 | 15,9 | 51,1 |
| 0,4 | 28,7 | 200,00 | 18,4 | 51,0 |
| 0,6 | 43,9 | 200,00 | 22,2 | 51,1 |
| 0,8 | 63,1 | 200,00 | 27,0 | 51,4 |
| 1 | 85,4 | 200,00 | 32,6 | 52,0 |
| 1,2 | 110,2 | 200,00 | 38,8 | 52,9 |
| 1,4 | 136,9 | 200,00 | 45,6 | 54,4 |
| 1,6 | 165,0 | 200,00 | 52,9 | 56,3 |
| 1,8 | 194,2 | 200,00 | 60,5 | 59,0 |
| 2 | 224,0 | 200,00 | 68,5 | 62,4 |
| 2,2 | 254,4 | 200,00 | 77,0 | 66,9 |
| 2,4 | 285,0 | 200,00 | 85,9 | 72,7 |
| 2,6 | 320,0 | - | 95,4 | 80,0 |
| 2,8 | - | - | 105,5 | 89,1 |
| 3 | - | - | 116,5 | 100,6 |
| 3,2 | - | - | 128,5 | 114,9 |
| 3,4 | - | - | 141,8 | 132,7 |
| 3,6 | - | - | 156,8 | 154,6 |
| 3,8 | - | - | 173,8 | 181,7 |
| 4 | - | - | 193,4 | 200,00 |
| 4,2 | - | - | 215,6 | 200,00 |
| 4,4 | - | - | 239,8 | 200,00 |
| 4,6 | - | - | 265,6 | 200,00 |
| 4,8 | - | - | 292,4 | 200,00 |
| 5 | - | - | 320,0 | - |
Таким образом, используя свойство инерционности объекта и несколько большее время нагрева при энергосберегающем управлении, получаем функционал затрат энергии I=65672, что при сравнении с функционалом затрат энергии стандартного управления соответствует экономии электроэнергии, равной 36,85%.
Рассчитаем также технологичность заявляемого устройства в сравнении с прототипом.
где, τ0 - нормированное время операции (τ0=1), τ1 - время выполнения всех операций заявленным устройством, τ2 - время выполнения всех операций прототипом, n - количество операций, выполняемых заявляемым устройством, m - количество операций, выполняемых прототипом, k - коэффициент эффективности, η - технологичность.
Результаты полного анализа процессов динамики оптимального управления объектом, найденные априори и сформированные в адресном пространстве ПЗУ устройства в виде образов эквивалентов (фиг.1), позволяют исключить процедуру анализа оптимального управления при динамическом анализе состояний многопараметрического объекта в реальном масштабе времени, тем самым значительно сократить объем требуемых вычислений и число функциональных блоков устройства по отношению к прототипу. Таким образом, технологичность η заявляемых способа и устройства будет в 4 до 100 раз выше известных решений в зависимости от типа многопараметрического устройства и особенностей его эксплуатации.
Предлагаемые способ и устройство оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта позволяют упростить процедуру измерения и оценки общего состояния многопараметрического объекта за счет того, что сложная процедура анализа оптимального управления производится априори, в результате чего когнитивный графический образ эквивалентов оптимального управления записывается в адресном пространстве кодовой матрицы ПЗУ и не требуется его определение в процессе динамического анализа и управления, что в итоге повышает энергетическую и метрологическую эффективность на 36,85% и технологическую эффективность в 4÷100 раз.
Таким образом, предлагаемый способ благодаря представлению результатов полного анализа процессов динамики оптимального управления многопараметрического объекта, описываемого моделью двойного апериодического звена с минимизируемым функционалом по затратам энергии, в виде когнитивного графического образа эквивалентов оптимального управления, формируемым в адресном пространстве кодовой матрицы постоянного запоминающего устройства, используемым для синтеза в масштабе реального времени энергосберегающих управляющих воздействий при любых изменениях состояний функционирования многопараметрического объекта в анализируемом диапазоне с заданной точностью синтезируемых воздействий, регламентируемых погрешностью образцовых сигналов, в отличие от известных решений повышает метрологическую и технологическую эффективность многопараметрических объектов с минимизируемым функционалом по затратам энергии. Это позволяет снизить затраты на аппаратное обеспечение системы управления, вследствие пониженных требований к быстродействию системы, конфигурации микросхемотехники, а также осуществить автоматическое принятие решений в масштабе реального времени, в том числе реализации адаптивных управляющих воздействий по результатам анализа цветокодовой матрицы состояний исследуемого многопараметрического объекта с минимумом затрат энергии.
1. Способ оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта, заключающийся в измерении и оценке общего состояния многопараметрического объекта по графическому образу когнитивной матрицы {Φ}={L1*L2}, отличающийся тем, что представляют результаты полного анализа процессов динамики оптимального управления объектом, описываемой моделью двойного апериодического звена с минимизируемым функционалом по затратам энергии, в виде когнитивного графического образа эквивалентов оптимального управления, которое формируют в адресном пространстве кодовой матрицы постоянного запоминающего устройства, а затем используют для синтеза в масштабе реального времени энергосберегающих управляющих воздействий при любых изменениях состояний функционирования многопараметрического объекта в оцениваемом диапазоне с заданной точностью синтезируемых воздействий, регламентируемых погрешностью образцовых сигналов, где L1 - множество управляющих воздействий, L2 - меры оценки затрат на управление.
2. Устройство оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта, содержащее устройство управления, генератор импульсов, соединенный с тактовым входом счетчика импульсов, усилитель, блок питания, многопараметрический объект, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен через усилитель к исполнительным механизмам объекта, управляющий выход допускового контроля которого соединен с управляющими входами режимов энергопотребления устройства управления, управляющий выход энергопотребления которого соединен с соответствующим входом блока питания для его переключения в режим энергосбережения, отличающееся тем, что дополнительно содержит постоянное запоминающее устройство и шифратор, соединенный по входам с выходом датчиков объекта, а по выходам - со старшими адресными разрядами постоянного запоминающего устройства, соединенного младшими адресными разрядами с выходами счетчика, а выходная шина постоянного запоминающего устройства связана с информационными входами цифроаналогового преобразователя, управляющий вход которого соединен с управляющим информационным выходом устройства управления для переключения устройства оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта, а управляющий тактовый выход блока управления связан с соответствующим входом генератора импульсов для его включения/отключения.
