CC BY
44
УДК 681.511.4
Бобух Анатолш Олексшович, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедри автоматизацп хiмiко-технологiчних систем i екологiчного монiторингу
Нацiональний технiчний ушверситет «Харшвський полiтехнiчний шститут», м. Харшв, Украша. Вул. Фрунзе, 21, м. Харюв, Украана, 61002. Тел. +38-096-233-47-96. E - mail: [email protected] (orcid.org/0000-0002-3405-386Х)
Ковальов Дмитро Олександрович, канд. техн. наук, доцент кафедри теплохолодопостачання, Тел. +38-099-007-12-46. E - mail: kovalyov d [email protected] (orcid.org/0000-0002-0668-8593)
Ктмов Андрш Олександрович, асистент кафедри теплохолодопостачання, Тел. +38-050-130-71-81. E - mail: [email protected] (orcid.org/ 0000-0002-0403-7981)
Харшвський нацюнальний ушверситет мюького господарства iменi О. М. Бекетова, м. Харшв, Украша. Вул. РеволюцП, 12, м. XapKie, Украша, 61002.
АДАПТИВНИЙ АЛГОРИТМ ДЛЯ 1ДЕНТИФ1КАЦП ОБ'СКТ1В КЕРУВАННЯ
М1СЬКОГО ГОСПОДАРСТВА
В cmammi розроблено адаптивний алгоритм для iдентифiкaцii нестaцiонaрних o6'eKmie, який дозволяе оперативно отримувати достовiрну тформацт про об'ект керування та тдвищувати яюсть процесу керування об'ектом. Розроблений алгоритм доцшьно використовувати при розробцi комп'ютерно-ттегрованих систем керування технологiчними об'ектами мiського господарства, впровадження цих систем сприятиме пiдвищенню економП енергоресур^в.
Ключовi слова: адаптивний алгоритм, комп'ютерно-iнтегровaнi системи керування, об'екти мiського господарства, економiя енергоресурсiв.
Бобух Анатолий Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры автоматизации химико-технологических систем и экологического мониторинга
Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», г. Харьков, Украина. Ул.
Фрунзе, 21, г. Харьков, Украина, 61002. Тел. +38-096-233-47-96. E - mail: [email protected] (Qrcid.org/0000-0002-3405-386Х)
Ковалев Дмитрий Александрович, канд. техн. наук, доцент кафедры теплохладоснабжения, Тел. +38-099-00712-46. E - mail: kovalyov d [email protected] (orcid.org/0000-0002-0668-8593)
Климов Андрей Александрович, ассистент кафедры теплохладоснабжения, Тел. +38-050-130-71-81. E - mail: [email protected] (orcid.org/ 0000-0002-0403-7981)
Харьковский национальный университет городского хозяйства имени А. Н. Бекетова, г. Харьков, Украина. Ул.
Революции, 12, г. Харьков, Украина, 61002.
АДАПТИВНЫЙ АЛГОРИТМ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ
ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА
В статье разработан адаптивный алгоритм для идентификации нестационарных объектов, который позволяет оперативно получать достоверную информацию об объекте управления и повышать качество процесса управления объектом. Разработанный алгоритм целесообразно использовать при разработке компьютерно-интегрированных систем управления технологическими объектами городского хозяйства, внедрение этих систем будет способствовать повышению экономии энергоресурсов.
Ключевые слова: адаптивный алгоритм, компьютерно-интегрированные системы управления, объекты городского хозяйства, экономия энергоресурсов.
Bobukh Anatoliy Alekseevich, Ph.D., associate professor, associate professor of department of automation of the chemical-technological systems and ecological monitoring
The National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Kharkiv, Ukraine. Str. Frunze, 21, Kharkiv, Ukraine, 61002. Tel. +38-096-233-47-96. E - mail: [email protected] (orcid.org/0000-0002-3405-386Х) Kovalyov Dmytro Oleksandrovich, Ph.D., associate professor Department of Heat supply and cooling. Tel. +38-099-007-12-46. E - mail: kovalyov d [email protected] (orcid.org/0000-0002-0668-8593)
Klimov Andrii Oleksandrovich, assistant of professor Department of Heat supply and cooling, Tel. +38-050-130-7181. E - mail: [email protected] (orcid.org/ 0000-0002-0403-7981)
O. M. Beketov National University of Urban Economy in Kharkiv. Str. Revolution, 12, Kharkiv, Ukraine, 61002.
ADAPTIVE ALGORITHM FOR AUTHENTICATION OF CONTROL OBJECT OF
MUNICIPAL ECONOMY
In the article an adaptive algorithm is worked out for authentication of non-stationary objects, that allows operatively to get reliable information about the object of control, and improves quality control process an object. The
worked out algorithm it is expedient to use for development of computer-integrated control system the technological objects of municipal economy, introduction of these systems will assist the increase of economy ofpower resources.
Keywords: adaptive algorithm, computer-integrated control system, objects of municipal economy, economy of power resources.
Введение
Одной из актуальных задач, возникающих при разработке компьютерно-интегрированных систем управления (КИСУ) технологическими объектами городского хозяйства (в частности, тепло-, водо-, газо- и электроснабжения) с переменными параметрами, является разработка достаточно простых и удобных в использовании адаптивных алгоритмов для идентификации таких объектов, обеспечивающих как повышение скорости процесса идентификации, так и повышение быстродействия объекта управления в целом.
Цель работы. Разработка адаптивного алгоритма для идентификации нестационарного объекта управления, который обеспечивает повышение быстродействия объекта за счет ускорения процесса его идентификации.
Основная часть
Реализацию адаптивного алгоритма для идентификации нестационарных объектов с управляющими воздействиями релейного типа целесообразно выполнять на базе современного микропроцессорного контроллера (МПК), который применяется при разработке КИСУ, с многофункциональным специальным программным обеспечением (СПО). Высокопроизводительный, многоканальный, быстродействующий и высоконадежный МПК в реальном масштабе времени по СПО сможет обеспечивать выполнение всех необходимых стандартных функций разработанного алгоритма [1, 2].
Учитывая результаты исследований в области нелинейного и адаптивного управления сложными динамическими системами [3-10], в частности, технологическими объектами городского хозяйства, целесообразной задачей для повышения экономии энергоресурсов представляется разработка и внедрение алгоритмов для компьютерно-интегрированных систем управления указанными объектами.
Рассмотрим процесс разработки адаптивного алгоритма для идентификации нестационарного объекта управления с управляющими воздействиями релейного типа r: V1,...,Vr и с m измеряемыми выходными параметрами: Y1,...,Ym. На рис. 1 показан фрагмент упрощенной схемы соединения 13 функциональных блоков адаптивного алгоритма.
Указанные управляющие воздействия подаются на релейный блок (1) разрабатываемого алгоритма, который преобразует их в виде значений:
signVi =
0 при | V \<5
+1 при V >5 (1)
-1 при V < -5,
где i = 1, г; а 8 - средние значения управляющих воздействий.
На выходе релейного блока (1) алгоритма формируется совокупность управляющих воздействий вида: , которая подается на входы блока входного амплитудно-
импульсного модулятора алгоритма (АИМА) (2) и объекта управления (3).
Выходные сигналы объекта управления (3) У1,..,Ут измеряют с помощью
чувствительного элемента (4) алгоритма и подают на входы выходного (5) АИМА. Блоки входного (2) и выходного (5) АИМА осуществляют дискретное преобразование аналоговых входных и выходных сигналов объекта управления (3), в результате чего на их выходах получают последовательность импульсов: signV1[ri],..., [п] и У1^п],...,Ут[п] в дискретные моменты времени п.
Рис. 1. Фрагмент упрощенной схемы соединения функциональных блоков
адаптивного алгоритма для идентификации нестационарных объектов управления
Сигналы с выхода блока входного (2) АИМА поддаются на входы блока модели объекта управления алгоритма (МОУА) (7), блоков умноження (9) и выпрямителей (13)
алгоритма. На выходах блока (7) МОУА появляются сигналы: У{[п],..., Ут[п\ которые через модели чувствительных элементов (8) алгоритма подаются на входы блока сумматора сравнения (6) алгоритма. Этот блок (6) осуществляет сравнение откликов объектов (3) и МОУА (7), в результате чего на его выходах появляется совокупность сигналов о рассогласовании между блоком МОУА (7) и объектом управления (3) вида: £1[п],...,£т[п].
Ошибки рассогласования подаются на входы блока умножения (9) алгоритма, на другие входы которого подается информация о входных воздействиях.
В результате выполнения функции умножения на выходе блока умножения (9) алгоритма получается совокупность векторов вида: £][п^1^¥[п],...,£т[п^1^¥[п], где
[п] = (эг^У^п],...,[п\)Т. Таким образом, на каждой итерации блок умножения (9) алгоритма рассчитывает г транспонированных произведений, которые подаются на входы делимого блока делителя (11) алгоритма.
Совокупность сигналов [п] = (эг^У^п],..., [п])Т с выхода блока
входного (2) АИМА подается на входы блока выпрямителей (13) алгоритма, образованного г двухполупериодными выпрямителями. В результате операции выпрямления импульсов на выходе блока выпрямителей (13) алгоритма появляется совокупность положительных импульсов вида: | ^я^У-^п] |,...,| [п] | .Эти импульсы подаются на входы блока сумматора
(12) алгоритма, где складываются, в результате чего на выходе блока (12) алгоритма получается сигнал:
г
[и]|= [п]яг^У[п]. (2)
г=1
Этот сигнал подается на вход блока делителя (11) алгоритма, который вырабатывает сигнал, поступающий через блок настройки параметров модели (10) алгоритма, для
л. л. „п,м 81[п]я1^п[п] £т[п]Я1^пУ[п]
коррекции коэффициентов блока МОУА (7) вида: -—2-,...,-—2-.
[п]я1^У[п] [п]я1^У[п]
С помощью блока настройки параметров модели (10) алгоритма осуществляется подстройка коэффициентов блока МОУА (7) пропорционально сигналам, поступающим с выхода блока делителя (11) алгоритма. Структура адаптивного алгоритма для идентификации нестационарного объекта управления такова, что на каждом шаге обеспечивается наибольшая скорость уменьшения ошибки рассогласования.
В качестве примера рассмотрим нестационарный динамический объект с г входами и одним выходом. Чувствительный элемент принимаем в виде блока пропорционального звена алгоритма с коэффициентом усиления, равном 1.
Широкий класс таких динамических объектов может быть описан дискретным уравнением вида:
У[п] = £ аг * У [п] = А *Т У[п], (3)
г =1
где а * - неизвестные коэффициенты объекта управления, подлежащие определению.
Уравнение модели объекта управления может быть задано в виде:
У[п] = £аг[п - 1]У[п] = АТ[п - 1]У[п], (4)
г=1
где а[п — 1] — оценки параметров объекта управления, вычисленные на (п -1) - м шаге идентификации.
Меру качества идентификации можно охарактеризовать критерием близости координат модели объекта управления и объекта управления:
I = £| £[п]1, (5)
п
представляющим собой сумму модулей ошибок рассогласования выходных координат модели объекта управления и объекта управления. Достоинством критерия (5) является его некритичность к виду функции распределения помех. При минимизации по методу градиента критерия (5), получают законы изменения коэффициентов модели объекта управления в виде:
а[п] = а[п -1] - Зг[п](У[п] - £а[п - 1]Уг[п])^У[п]. (6)
г=1
Выбор коэффициента пропорциональности 3[п] и типа входного воздействия У [п] определяют скорость сходимости процесса идентификации.
Нетрудно видеть, что модификацией алгоритма (6) является адаптивный алгоритм для идентификации нестационарного объекта управления вида:
A[n] = A[n -1] + Л™ - A[[n -l]slgnV [n] signV [n]. (7)
signV [n]signV[n]
Если для характеристики скорости сходимости процесса идентификации, реализуемого разрабатываемым адаптивным алгоритмом для идентификации нестационарного объекта, использовать монотонную функцию, то не сложно получить, что указанная сходимость характеризуется величиной вида :
tfn] = V[n - 'M»v[n])2 > 0, (8)
(signV [n]signV[n])
следовательно, обеспечивается монотонное убывание ошибки определения параметров объекта управления и повышение скорости процесса идентификации.
Особенно эффективно использование разработанного адаптивного алгоритма для идентификации объекта в системах оптимального управления объектами городского хозяйства, когда управляющие воздействия носят релейный характер. В этом случае нет необходимости в разделении во времени процессов управления и идентификации, так как идентификация осуществляется одновременно с процессом управления. Некритичность к закону распределения помех, высокая помехоустойчивость и повышенное быстродействие расширяют функциональные возможности разработанного алгоритма.
Вывод
Разработанный адаптивный алгоритм для идентификации нестационарных объектов позволяет оперативно получать достоверную информацию об объекте управления, что ведет к повышению качества процесса управления объектом. Его целесообразно использовать при разработке компьютерно-интегрированных систем управления быстропротекающими стохастическими технологическими объектами городского хозяйства, а это, в свою очередь, способствует повышению экономии энергоресурсов.
Список использованной литературы:
1. Жук В. И. Микропроцессорные контроллеры и системы управления на их основе: опыт построения [Текст] / В. И. Жук. Энергетика и ТЭК. - 2010. - № 01 (82). - С. 41-43.
2. Бобух А. А. Компьютерно-интегрированная система автоматизации технологических объектов управления централизованным теплоснабжением: монография [Текст] / А. А. Бобух, Д. А. Ковалев; под ред.
А. А. Бобуха. - Х.: ХНУГХ им. А. Н. Бекетова, 2013. - 226 с.
3. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления [Текст] / П. Эйкхофф. - М. : Мир, 1975. -
680 с.
4. Цыпкин Я. З. Информационная теория идентификации [Текст] / Я. З. Цыпкин. - М. : Наука, 1995. -
336 с.
3
5. А. с. 875337 СССР, М. Кл. G 05 B 17/00. Адаптивная система для идентификации объекта управления / И. Д. Зайцев, Г. А. Трутнев, А. А. Бобух и др. (СССР). № 2888202 / 28-24; заяв. 26.02.80; опубл. 23.10.81, Бюл. № 39.
6. Annaswamy A. M., Skantze F. P., Loh A.-P. Adaptive control of continuous time systems with convex/concave parametrization [Text] // Automatica. - 1998. - Vol. 34, № 1. - P. 33-49.
7. Мирошник И. В. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами [Текст] / И. В. Мирошник, В. О. Никифоров, А. Л. Фрадков . - СПб. : Наука, 2000. - 549 с.
8. Лукашин Ю. П., Адаптивные методы краткосрочного прогнозирования временных рядов [Текст] / Ю. П. Лукашин. - М.: Финансы и статистика, 2003. - 416 с.
9. Тюкин И. Ю. Адаптация в нелинейных динамических системах: монография [Текст] / И. Ю. Тюкин, В. А. Терехов. - СПб. : ЛКИ, 2008. - 384 с.
10. Подустов М. А. Моделирование процессов нелинейных динамических систем / Подустов М. А., Бобух А.А., Ковалёв Д.А. // 1нтегроваш технологи та енергозбереження : Науково-практичний журнал, № 4.-Х: НТУ «ХП1», 2013. - С. 32-37.
References:
1. Zhuk, V. I. (2010). Microprocessor-based comptrollers and control system on their basis: experience of construction [Mikroprocessornye kontrollery i sistemy upravlenija na ih osnove: opyt postroenija], Jenergetika i TJeK, № 01 (82), Р. 41-43.
2. Bobuh, A. A., Kovalyov, D. A. (2013). Computer-integrated system of automation of technological objects of control centralized heet-supply: monograph [Kompjuterno-integrirovannaja sistema avtomatizacii tehnologicheskih obektov upravlenija centralizovannym teplosnabzheniem: monografija], HNUGH im. A. N. Beketova, Kharkiv, 226 p.
3. Jejkhoff P. (1975). Bases of authentication of control system [Osnovy identifikacii sistem upravlenija], Mir, Moscow, 680 p.
4. Cypkin, Ja. Z. (1995). Informative theory of authentication [Informacionnaja teorija identifikacii], Nauka, Moscow, 336 p.
5. A. s. 875337 SSSR, M. Kl. G 05 B 17/00. Adaptive system for authentication of object of control [Adaptivnaja sistema dlja identifikacii ob#ekta upravlenija] I. D. Zajcev, G. A. Trutnev, A. A. Bobuh i dr. (SSSR). № 2888202 / 28-24; zajav. 26.02.80; opubl. 23.10.81, Bjul. № 39.
6. Annaswamy, A. M., Skantze, F. P., Loh, A.-P. (1998). Adaptive control of continuous time systems with convex/concave parametrization, Automatica, Vol. 34, № 1, P. 33-49.
7. Miroshnik I. V., Nikiforov, V. O., Fradkov A. L. (2000). Nonlinear and adaptive control by the difficult dynamic systems [Nelinejnoe i adaptivnoe upravlenie slozhnymi dinamicheskimi sistemami], Nauka, SPb, 549 p.
8. Lukashin, Ju. P. (2003). Adaptive methods of short-term prognostication of temporal rows [Adaptivnye metody kratkosrochnogo prognozirovanija vremennyh rjadov], Finansy i statistika, Moscow, 416 p.
9. Tjukin I. Ju., Terehov, V. A. (2008). Adaptation in the nonlinear dynamic systems: monograph [Adaptacija v nelinejnyh dinamicheskih sistemah: monografija], LKI, SPb, 384 p.
10. Podustov, M. A., Bobuh, A. A., Kovalyov, D. A. (2013). Design of processes of the nonlinear dynamic systems [Modelirovanie processov nelinejnyh dinamicheskih sistem], Integrovani tehnologii ta energozberezhennja, № 4, pp. 32-37.
Поступила в редакцию 20.12 2014 г.
