Введение в теорию адаптивного управления

СТАРООСКОЛЬКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ИМ. А.А. УГАРОВА

(филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования

«Национальный исследовательский технологический университет

«МИСиС»

 

Кафедра АИСУ

 

Халапян С.Ю., Глущенко А.И.

Адаптивное и оптимальное управление

 

 

Учебно-методическое пособие

для студентов направления

15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств

(для всех форм обучения)

 

 

Старый Оскол

2017

УДК 681.5

ББК 73

 

Составители:

К.т.н., доцент Халапян С.Ю., к.т.н., доцент Глущенко А.И.

 

Рецензент:

К.т.н., директор ЗАО «Проектэлектромонтаж» Пожарский Ю.М.

 

Халапян С.Ю., Глущенко А.И. Адаптивное и оптимальное управление. Учебно-методическое пособие. – Старый Оскол: СТИ НИТУ «МИСиС», 2017. – 73 с.

 

 

Учебно-методическое пособие по курсу «Адаптивное и оптимальное управление» для студентов направления 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств» всех форм обучения.

 

 

© Халапян С.Ю., Глущенко А.И.

© СТИ НИТУ «МИСиС»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 4

1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ.. 6

2. ЗАДАЧА СИНТЕЗА НЕПРЕРЫВНЫХ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ С МОДЕЛЬЮ.... 18

3. МЕТОДЫ СИНТЕЗА НЕПРЕРЫВНЫХ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ С ЭТАЛОННЫМИ МОДЕЛЯМИ.. 23

4. СИНТЕЗ СИСТЕМ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ВЕКТОРА СКОРОСТИ.. 46

5. ПРИНЦИПЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ.. 63

Заключение.. 70

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 72

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время в промышленности в целом и в горно-металлургической отрасли в частности (особенно в России) несмотря на большое количество разработок в области адаптивного и оптимального регулирования управление технологическими процессами в подавляющем большинстве случаев осуществляется с помощью ПИД регуляторов. Однако системы управления, построенные на таких принципах, являются детерминированными и не учитывают нелинейность реальных объектов управления в указанной области. Это приводит к снижению качества регулирования, увеличению времени и затрат на производство продукции.

Особенно остро такая проблема стоит в металлургии (нагревательные печи, дуговые сталеплавильные печи и пр.), где даже незначительное ухудшения качества переходного процесса, вызванное нелинейностью объекта управления, приводит к существенному увеличению расхода электроэнергии и, как следствие, значительным экономическим потерям.

На этапе первичной автоматизации производств учет такого рода нелинейностей не являлся критичным, поскольку сам факт внедрения ПИД регуляторов и микроконтроллерной техники позволял добиться значительного экономического эффекта. Однако на сегодняшний день достигнута зона насыщения логистической кривой развития АСУ, и обычная замена компьютеров на более мощные уже не приносит желаемого эффекта. Тем самым возникает необходимость учета нелинейностей объектов управления.

Для решения подобного рода задач в последнее время достаточно часто применяются адаптивные системы управления, производящие подстройку параметров ПИД-регуляторов в процессе работы. Такие системы могут быть построены как на основе классических, так и интеллектуальных методов.

Целью данного пособия является изложение теоретического материала курса с необходимыми пояснениями. Данный материал будет полезен студентам при выполнении лабораторных работ и домашних заданий.

В результате освоения дисциплины «Адаптивное и оптимальное управление», у обучающихся должны быть сформированы общекультурные, общепрофессиональные и профессиональные компетенции.

15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств:

ОК-5 – способность к самоорганизации и самообразованию.

ОПК-1 – способность использовать основные закономерности, действующие в процессе изготовления продукции требуемого качества, заданного количества при наименьших затратах общественного труда.

ОПК-3 – способность использовать современные информационные технологии, технику, прикладные программные средства при решении задач профессиональной деятельности.

ПК-1 – способность собирать и анализировать исходные информационные данные для проектирования технологических процессов изготовления продукции, средств и систем автоматизации, контроля, технологического оснащения, диагностики, испытаний, управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством.

ПК-8 – способность выполнять работы по автоматизации технологических процессов и производств, их обеспечению средствами автоматизации и управления, готовностью использовать современные методы и средства автоматизации, контроля, диагностики, испытаний и управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством.

ПК-29 – способность разрабатывать практические мероприятия по совершенствованию систем и средств автоматизации и управления изготовлением продукции, ее жизненным циклом и качеством, а также по улучшению качества выпускаемой продукции, технического обеспечения ее изготовления, практическому внедрению мероприятий на производстве; осуществлять производственный контроль их выполнения.

 

 

ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

 

Систему автоматического управления называют адаптивной, если на основе информации о параметрах внешних воздействий, динамических характеристиках объекта или системы, получаемой в процессе работы, осуществляется активное изменение вида алгоритма управления и (или) его параметров с целью обеспечения оптимальной, в каком-либо смысле, работы замкнутой системы. В результате перестройки алгоритм управления или его параметры (коэффициенты регулятора) находятся в некоторой функциональной связи с параметрами внешних воздействий и объекта. Данное определение можно назвать техническим или рабочим. Существует и строгие математические определения, сформулированные Кунцевичем В.М., Фрадковым А.Л..

Принято считать, что первые адаптивные системы появились в конце второй мировой войны. Немецкие изобретатели применяли программное изменение коэффициентов усиления в системах управления ракет «Фау-2», «Вассер Фаль». Затем коэффициенты усиления в системах управления летательными аппаратами стали изменяться в функции от скорости напора, который измерялся в полёте с помощью специальных датчиков. Это была адаптация по разомкнутому циклу, хотя в это время этого термина ещё не было. Первый обзор адаптивных систем управления выполнили и опубликовали в 1958 г. Aseltine I.A., Mancinia A.R., Sarture C.W.

В пятидесятых годах в связи с появлением новых типов летательных аппаратов теория адаптивного управления пережила этап бурного развития. По существу это было её настоящим рождением. У истоков развития советской школы адаптивного управления стояли известные учёные в области систем автоматического управления: Фельдбаум А.А., Солодовников В.В., Красовский А.А.; 60-е годы – Цыпкин Я.З., Петров Б.Н., Емельянов Е.Н.; в последующие годы – Деревицкий Д.П., Фрадков А.Л., Рутковский В.Ю., Земляков С.Д., Борцов Ю.А., Тимофеев А.Б. и др.

В последние годы адаптивные системы управления кроме традиционной области приложения, системы управления летательными аппаратами, нашли широкое применение в других сферах. Приведем несколько примеров.

Некоторые ведущие мировые фирмы, такие как Fisher Control, Foxboro (США), Eurotherm, TCS (Великобритания), Coreci, Sereg (Франция), Autolog (Финляндия), осуществляют серийный выпуск адаптивных контроллеров. Комплексы фирмы Foxboro «Intelligent Automation Series» (I/A Series) включают в свой состав одноканальные адаптивные ПИД-регуляторы серий 760, 761 и многоканальные типа Microspec. Программные средства адаптивных регуляторов входят в состав российской системы ТРЕЙС МОУД (TRACE MODE), которая предназначена для распределенных АСУТП широкого профиля.

В АО Черметавтоматика разработана адаптивная система управления отжигом металла в колпаковых печах. В автомобилестроении адаптивные системы используются для регулирования скорости грузовиков, (ACC WABCO,), для управления светом фар (BMW). Адаптивная система зажигания двигателя внутреннего сгорания (Б3М-В) устанавливается в серийно выпускаемых автомобилях с карбюраторными двигателями модулей: ВАЗ, ГАЗ, ("Волга", "Газель"), и др. Применение адаптивных систем помогает в решении проблемы совершенствования парка современного металлорежущего оборудования с ЧПУ. Они позволяют учитывать параметры и факторы технологического процесса механической обработки. Адаптивные системы успешно используются для управления оптическими следящими телескопами, обеспечивая высокую точность наведения на наблюдаемый объект.