• О предприятии
• Продукция
• Пуско-наладочные работы
• Партнеры
• Публикации
• Контакты
• Вакансии

Основные преимущества многоцелевых систем управления

В журнале «Морская биржа», №1(15) 2006г. в статье «Новое поколение систем управления судовыми техническими средствами» изложена концепция в проектировании автоматизирован­ных объектов, в соответствии с которой их облик существенно зависит от управления. Такое управление принято называть многоцелевым, так как оно позволяет обеспечивать одновременно или в определенной последовательности управление всеми необходимыми внутренними переменными и, следовательно, дости­жение ряда целей по управлению характеристиками объекта, а системы с таким управлением – многоцелевыми системами управления характерис­тиками СТС (МСУ СТС). Принципиальная схема МСУ СТС приведена на рис.1, обозначения: X - внутренние переменные состояния объекта управления, Z- контролируемые переменные состояния объекта управления, U- управление, индексы «о, ш, а, м» - соответственно «оптимальное управление, оптимальное управление в штатном режиме, оптимальное управление в аварийном режиме, переменные модели».

МСУ СТС, по сравнению с традиционными системами управления, обладают рядом свойств, осо­бенно важных для прикладных задач. В настоящей статье эти свойства МСУ СТС рассматриваются более подробно.

Основным свойством МСУ CТС, отличающим их от традиционных систем управления, является возможность неограни­ченного расширения круга решаемых задач по управлению характерис­тиками, обликом СТС. Характер новых задач зависит от числа составляющих вектора фазового состояния, подлежащих управлению и целей этого управления. Информация об оценках всех пере­менных поступает от системы оценивания и используется для формиро­вания закона управления необходимыми как внутренними, так и внешними переменными и соответствующими характеристиками СТС. Целью этого управления является обеспечение функционирования СТС в нор- мальных условиях и его безопасности в аварийных ситуациях. Перс­пективные возможности, еще не полностью исследованные, открываются на пути построения нового класса МСУ CТС, использующих для обес­печения безопасности СТС в аварийных ситуациях информацию как об оценках координат из системы оценивания, так и об оценках коэффи­циентов (параметров) из системы идентификации. В этом случае эксп­луатационная область объекта управления будет являться областью в координатно-параметрическом пространстве. Включение в работу ограничивающего (противоаварийного) управления не приводит к снижению уровня мощ­ности СТС, что характерно для большинства традиционных систем аварийной защиты. Огра­ничивающее управление реализуется путем дополнительного воздейст­вия на управляющие органы системы.

Условия эксплуатации СТС непрерывно изменяются. Изменение условий эксплуатации СТС отражается значениями параметров его мо­дели. Система идентификации, определяя эти значения параметров, позволяет определить особенности эксплуатации СТС в необходимый момент времени и учесть их при синтезе оптимального закона много­целевого управления. Иными словами, система идентификации перево­дит МСУ CТС в новый более совершенный и эффективный класс систем - адаптивных, причем адаптивных к условиям эксплуатации. Адаптация работы системы к особенностям условий эксплуатации СТС осуществ­ляется, таким образом, на основании идентификации и совмещенного синтеза, выполняемого в реальном времени в ходе функционирования замкнутой системы управления. Поскольку в процессе идентификации осуществляется одновременное определение ряда параметров, то та­кие системы можно отнести также к классу МСУ с автоматической мно­гопараметрической адаптацией, это свойство МСУ становится особен­но значимым при решении противоаварийных задач, когда появляется недостаток информации о состоянии объекта и воздействиях окружающей среды.

В соответствии с видом структуры, приведенной на рис. 1, МСУ СТС включает информационную часть - датчики, системы оцени­вания и идентификации и управляющую часть - непосредственно сис­тему управления. При синтезе МСУ СТС принят подход, при котором информационная и управляющая части синтезируются одновременно на основе использования как критерия качества информационной части системы - системы обработки информации, так и критерия качества собственно управления. Вообще говоря, необходимость использования двух критериев не является очевидной. Основной целью получения ин­формации в системе является управление и в отдельных случаях можно ог­раничиться одним определяющим критерием - качеством управления. Задачи управления процессами в СТС все более усложняются. Рас­ширяются диапазоны изменения параметров СТС при эксплуатации и увеличиваются скорости изменения этих параметров, СТС как объекты управления становятся все более нестационарными. Усложнение задач, решаемых СТС, сопровождается ростом требований к точности управле­ния, показателем которой в МСУ СТС служит критерий качества собственно управления. В результате оптимизации информационной и управляющей части достигается оптимальность МСУ СТС в целом и высокое качество уп­равления процессами.

Однако информация из систем оценивания и идентификации может использоваться не только для синтеза за­кона управления, но и для других целей: определения оценки координат и коэффициентов модели, программной многопараметрической настройки системы, сокра­щения сроков испытаний и технического диагностирования СТС, сиг­нализации и контроля о протекающих в СТС процессах. В частности, до настоящего времени точное численное определе­ние коэффициентов МСУ СТС является сложной трудоемкой задачей, реше­ние которой требует довольно длительной работы квалифицированного коллектива. С учетом многорежимности функционирования объектов управления сложность задачи увеличивает­ся, обуславливая необходимость выполнения для каждого нового СТС обширной исследовательской программы.

Например, на рис.2, а) - д) представлены графики изменения координат модели судового котла – индекс1 и оценки этих координат – индекс 2. Следует отметить, что рассматривался случай наличия только двух датчиков – давления пара и уровня воды в паровом коллекторе котла (соответственно координаты на рис. 2б) и рис. 2г), другие координаты – температура воды за экономайзером, истинное объёмное паросодержание, температура перегретого пара (координаты на рис.рис. 2а),2в),2д)) не измерялись.

На рис. 3 приведён график идентификации параметра а11, который входит в математическую модель судового котла. Этот параметр позволяет определить коэффициент термического сопротивления теплообмена между греющим потоком и стенками труб пароперегревателя, и тем самым оценить степень загрязнения труб сажей. Из графиков следует, что процессы оценивания всех координат и идентификации параметра а11 являются достаточно эффективными.

Другой, не менее сложной задачей, является задача программной многопараметрической настройки при различных условиях эксплуатации СТС. Настроечные параметры КТС являются сложными функциями параметров условий эксплуатации и реализовать эти зависимости путем подбора затруднительно.

Эта же задача возникает при проведении испытаний новых слож­ных систем управления СТС. Такие системы содержат значительное количество настраиваемых параметров и их подбор порой требует дли­тельного времени, большого объема испытании и квалифицированного персонала.

При наличии такой информации широкие возможности открываются по созданию высококачественных систем сигнализации, контроля и функционального диагностирования состояния СТС. При решении задачи диагностирования, сравнивая текущие значения параметров из си­стемы идентификации с их эталонными значениями и, имея модели де­фектов, с большой точностью можно осуществлять определение техни­ческого состояния СТС.

Таким образом, критерий качества обработки информации - крите­рий оптимальности информационной части системы является важным са­мостоятельным показателем МСУ СТС и определяет качество решения всех последующих задач, связанных с использованием информации.

Для реализации совместимых алгоритмов оптимальных оценивания, идентификации, управления можно использовать единый вычислитель­ный блок, обеспечивающий расчет аддитивных управлений, соответст­вующих обеспечению функционирования СТС в нор- мальных условиях и его безопасности в аварийных ситуациях. Другими словами, такие системы не требуют специального контура для ограничивающего управления, что приводит к снижению сложности системы.

При наличии алгоритмов, реализуемых в вычислительном блоке, и заданного набора датчиков и исполнительных устройств "разработ­ка" системы сводится к заданию математической модели СТС и назначению критериев оп­тимизации. Все остальное получается автоматически. Это свойство МСУ СТС позволяет упростить процесс проектирования систем управ­ления и уменьшить его сроки, сократить необходимую номенклатуру средств автоматизации и повысить степень их унификации.

Повышение надежности МСУ СТС можно осуществлять как структур­ными и элементными методами, так и алгоритмическими. Применение последних наиболее удобно и перспективно в связи с развитым алгоритмическим обеспечением МСУ СТС.

Возможные отказы различных элементов МСУ СТС и их последст­вия в значительной мере могут быть компенсированы специально выб­ранными алгоритмами функционирования системы.

Обратимся, например, к вопросу обеспечения надежности работы датчиков МСУ СТС, точнее - надежности процесса получения информации об объекте управления.

Система оценивания, прежде всего, позволяет обоснованно выбрать минимальное количество датчиков на основании использования критерия наблюдаемости и критериев сходимости процессов оценивания.

Применение в МСУ СТС системы оценивания обеспечивает возможность контроля исправности всех датчиков: сопоставляя сигнал любого датчика с оценкой соответствующей величины можно получить оценки мгновенной ошибки измерения. Это позволяет весьма просто выявить как внезапные отказы датчиков, так и медленно нарастающие ошибки. Для датчиков, установленных в труднодоступных местах, этот путь их метрологического обеспечения является особенно важным.

Система оценивания также обеспечивает повышенную надежность МСУ СТС при отказах некоторых датчиков. Вследствие комплексной обра­ботки информации всех датчиков отказ одного или нескольких из них приводит лишь к ухудшению точности оценивания, но работоспособ­ность всей системы сохраняется.

Наряду с отказами датчиков возможны неисправности в других элементах МСУ СТС, приводящие в конечном счете к отсутствию управляю­щего воздействия в том или ином канале системы. Однако характерным для МСУ СТС является выполнение известных условий управляемости и обеспечения строгих ограничений. Эти ус­ловия позволяют установить в каждом конкретном случае минимальное количество управляющих воздействий и учесть это при выборе спосо­бов резервирования управления, количества управляющих органов СТС. Следовательно, степень совершенства алгоритмов оценивания, идентификации, управления в значительной степени определяют надеж­ность МСУ СТС.

Синтез адаптивной оптимальной МСУ СТС должен начинаться с выбора и обоснования ММ КТС и критериев оптимизации. Этапы построения ММ СТС, как объекта многоцелевого управления, не отличаются в основном по целям и содержанию от таких же этапов при синтезе оптимальных МСУ. Однако адаптивные системы управления, основанные на идентификации и оценивании, допускают менее деталь­ное математическое описание объекта в сравнении с неадаптивными системами при равном приближении к строго оптимальному управлению. Отыскивая каждый раз для каждого режима некоторый простой, напри­мер, линейный, эквивалент реального объекта, эти системы способны с высокой точностью отображать локальные свойства реального много­режимного объекта. Локальное отображение уже достаточно для реше­ния подавляющего числа задач многоцелевого управления. Применение алгоритмов оценивания и идентификации требует обязательного вы­полнения для ММ СТС критериев управляемости, наблюдаемости и идентифицируемости.

Следующим этапом синтеза является разработка систем оценивания вектора фазового состояния к идентификации параметров модели, полученной на предыдущих этапах. С этой целью анализируются зада­чи проектирования, условия эксплуатации и ММ СТС, располагаемые программируемые контроллеры, алгоритмы оценивания, идентификации и уп­равления.

Системы оценивания и идентификации помимо основной задачи - обеспечения управляющей части системы информацией о протекающих про­цессах в СТС могут решать, как указывалось, другие задачи: осу­ществлять адаптацию управлений к условиям эксплуатации, являться средством для автоматического определения коэффициентов модели и автоматической многопараметрической настройки системы, входить в качестве информационной части в системы технического диагностиро­вания, прогнозирования, сигнализации, контроля и т.д. На основании рассмотрения основной и совокупности частных задач, вида и размер­ности ММ СТС, формируются требования к времени и точности оцени­вания и идентификации. Выбор конкретных алгоритмов оцени­вания и идентификации следует осуществлять в зависимости от этих требований, возможностей имеемых вычислительных средств и с учетом их согла­сованности с алгоритмами управления.