CC BY
25
М.В. Посконин. Исследование структурного подхода к процессу идентификации при синтезе модели сложной технической системы...
УДК 681.5.015
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНОГО ПОДХОДА К ПРОЦЕССУ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПРИ СИНТЕЗЕ МОДЕЛИ СЛОЖНОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ БИОТОПЛИВА (ПЕЛЛЕТ) ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
М.В. Посконин
ФГБОУ ВО «Сибирский государственный технологический университет» 660049, Красноярск, пр. Мира 82; e-mail: [email protected]
В данной статье рассматривается проблема синтеза математической модели процесса получения биотоплива из отходов деревообработки (пеллет), в частности затрагивается тема процесса идентификации как этапа моделирования сложной технической системы. Актуальность рассматриваемой темы видится в заинтересованности государства в развитии технологий вторичного использования материалов и безотходного производства, а также общего улучшения экологии.
В ходе развития методов моделирования превалирующим стал метод параметрических моделей, основное преимущество которых - возможность за короткий промежуток времени путем изменения некоторых элементов промоделировать различные ситуации и искусственно проверить взаимовлияние параметров друг на друга. Однако нельзя забывать и про то что они обладают рядом недостатков, таких как сложность построения адаптивных АСУ на их основе, неточность, происходящая в следствии недостаточности или неверности информации об объекте моделирования, высокая сложность синтеза в условиях многокритериальности.
Непараметрические же модели не получили широкое распространение в силу необходимости большого объема сопутствующих вычислений, что на текущий момент развития вычислительных систем не видится непреодолимым препятствием.
Приводятся утверждения в пользу применения непараметрической идентификации, в частности подход структурной идентификации, позволяющих добиться не только высокой точности модели, но и упрощение последующего процесса получения системы управления пригодной для дальнейшего использования в реальных объектах промышленности. В качестве подхода к процессу структурной идентификации предлагается использовать блок-схему состоящую из определенных стадий и этапов, позволяющую добиться уточнения полученных результатов через увеличение итераций прохода цикла.
Ключевые слова: ТАУ, автоматизация, идентификация, математическое моделирование, биотопливо, пеллет
This article addresses the problem of the synthesis of a mathematical model of the process of obtaining biofuels from wood waste (wood pellets), in particular touches upon the identification process as a stage of modeling complex technical system. The relevance of the topic is seen in the State's interest in the development of technologies recycled materials and non-waste production, as well as the general improvement of the environment.
During the development of a method of modeling methods become prevalent parametric models, the main advantage of which - the possibility for a short period of time by changing some elements to simulate different situations and artificial interference check settings on each other. However, we can not forget about the fact that they have a number of disadvantages, such as complexity of adaptive automatic control system based on them, the inaccuracy that occurs as a consequence of insufficient or incorrect information about the object modeling, synthesis of high complexity in terms multicriteriality.
Non-parametric model is not widely used due to the need for a large amount of related calculations that at the moment the development of computer systems is not seen as an insurmountable obstacle.
We give statements in favor of the use of nonparametric identification, in particular the identification of the structural approach that will ensure not only the high accuracy of the model, but also to simplify the process of obtaining the subsequent control system suitable for use in real-world industrial facilities. As an approach to the process of structural identification is proposed to use a block diagram consisting of certain stages and phases, allowing to achieve more accurate results obtained by increasing the iteration cycle passes.
Keywords: TAU, automation, identification, mathematical modeling, biofuels, pellets
ВВЕДЕНИЕ
Деревообрабатывающая промышленность - одна из самых быстрорастущих и перспективных отраслей экономики, не в последнюю очередь вследствие воз-обновляемости ресурса, в отличие от невозобновля-емых ресурсов (газ, уголь, руда, нефть, торф и др.). Одним из путей развития лесной промышленности в стране является разработка новых видов биотоплива (пеллет). Решающим условием для дальнейшего
развития деревообработки является рост производительности труда, основанный на ускорение научно-технического прогресса. Технологический прогресс должен идти по пути создания и внедрения новых, более продуктивных и безотходных технологий деревообработки, новые образцы техники и оборудования для производства, использования более современного высокопроизводительного оборудования.
Эффективная утилизация образующихся древесных отходов с одновременным увеличением полезно-
го выхода является одной актуальных задач (Safonov, 2011). Однако, несмотря на простоту управления данными технологическими процессами, производство биотоплива из древесных отходов имеет значительные сложности в управлении.
РАССМОТРЕНИЕ ВОПРОСА
Определение оптимальных характеристик сырья и условий его хранения, режимов работы оборудования, его техническая настройка, синхронизации отдельных технологических операций - все это создает трудности в процессе производства пеллет. Ошибочные действия становятся причиной снижения общей эффективности производства.
Добиться успеха при ручном управлении такими технологиями, не обладая достоверной информацией о свойствах процесса пеллетирования, практически невозможно. Первым этапом является проведение исследований на действующем промышленном оборудовании, направленных на установление закономерностей и взаимного влияния различных характеристик процесса производства различных видов биотоплива (Петровский, 2000).
Как правило, в подобных системах показатели независимы друг от друга, их целевые функции имеют разнонаправленные экстремумы, что приводит к общему снижению эффективности производства. Отсутствие информации о взаимосвязях между характеристиками процесса приводит к пренебрежению параметрами другой группы (Сафонов, 2002, 2012). Например, максимизация производительности процесса, приводит к получению продукции с недопустимо низкой механической прочностью, при максимальной теплотворной способности биотоплива получить неконкурентную себестоимость изготовленных древесных пеллет и т.д.
В текущих системах автоматизации на этапе моделирования эта задача рассматривается как многокритериальная задача, решаемая методами планирования активных экспериментов, математического анализа результатов, моделирования показателей с получением адекватных зависимостей. Результаты подобных исследований подробно рассматриваются в (Петровский, 2010; Сафонов, 2002).
Однако подобный подход оставляет большое расхождение между математической моделью процесса и реальными результатами, в первую очередь из-за недостатков параметрического моделирования технической части производства. Данный вопрос рассмотрен в работах Заде (L.A. Zadeh), Р. Калмана (R.E. Kaiman), А.А. Красовско-го, Перре (R. Perret), Е.П. Попова, В.А. Трапезникова, Хо (Y.C. Ho) о процессе идентификации в целом и теории автоматического управления (ТАУ) как науке.
Еще в 60-х годах XX века была начата работа по введению непараметрических основ теории автоматического управления математическим аппаратом с уравнениями состояния в ТАУ Причиной введения дополнительного пласта математической теории, усложняющего общее понимание принципов управления вследствие отличий непараметрического и
параметрического подходов, была нужда в теории, обладающей эффективными методами и средствами для исследования проблем управления. Однако дальнейшая «математизация» привела к увеличению абстрактности теоретической базы науки.
В общем случае уравнения состояния различных процессов имеют строго определённый набор параметров, значения которых разработчик САУ должен определить путем проведения ряда активных экспериментов для дальнейшего проектирования через стандартные задачи и методы ТАУ Как показывает исторический опыт, самостоятельно разработчик это сделать не в состоянии (Трапезников, 1965). Поэтому переход на новый математический аппарат привел к существенному отставанию между современной ТАУ и прикладной инженерией, что отметили в начале 70-х годов многие известные специалисты по автоматическому управлению (Заде, 1972; Калман, 1971; Красовский, 2003; Трапезников, 1965).
Формирование в дальнейшем теории параметрической идентификации лишь частично уменьшило полученный разрыв, не ликвидировав главную его причину: высокую интеллектуальную трудность структурной идентификацией, т.е. поиска адекватных эмпирических значений структурных параметров уравнения состояния (Гинсберг, 1998). Структурным параметром здесь называется буквенная константа, которая интерпретируется как порядок уравнения или размерность вектора, или как множество допустимых значений переменной, параметра, вектора переменных или параметров.
Общепризнано, что субъектом структурной идентификации является разработчик САУ и данная идентификация не может быть абсолютно формализована, как это имеет место для параметрической идентификации. Поэтому необходим специальный подход к постановке и решению проблем структурной идентификации, который до сих пор не удается четко очертить из-за междисциплинарного гуманитарно-технического содержания указанных проблем (Гинсберг, 1998).
В настоящее время наиболее перспективной представляется переход от теоретических исследований структурной идентификации самой по себе, изолировано от процессов, частью которых оно является, к ее научному изучению как необходимой компоненты инженерного моделирования слабо изученных объектов управления.
Считается, что создание прикладной теории инженерного моделирования и структурной идентификации позволит существенно уменьшить разрыв между ТАУ и инженерной практикой. Желательно, в идеале, так разработать прикладные разделы ТАУ, чтобы ее язык стал профессиональным языком разработчиков реальных САУ Данная цель, по нашему мнению, точно соответствует истинному назначению теории автоматического управления.
Сформировать описание, позволяющее провести структурную идентификацию сложного технического объекта используя только классическую теорию идентификации не представляется возможным. Для формирования последовательности действий и фор-
М.В. Посконин. Исследование структурного подхода к процессу идентификации при синтезе модели сложной технической системы.
мализации описания подходит более емкая по содержанию понятийная система теории управления.
Главной идеей развития направления структурной идентификации является создания базиса понятийного аппарата и нормативных образцов позволяющие сформировать основу собственного функционального аппарата идентификационной деятельности.
Конкретную познавательную деятельность можно выразить в виде блок-схемы структурной идентификации, показанной на рисунке 1. Каждый элемент данной схемы показывает определённый этап или стадию процесса идентификации. Стадии пронумерованы числами 1-3, этапы 3.1-3.6. Направление стрелки указывает последовательность перехода. Сумма блоков 1-3 называется циклом, 3.1-3.6 - итерацией. Основными результатами, получаемыми из данной схемы, являются - адекватная постановка задачи, ее решение, при наличии информации о состоянии объекта, первоначальный вариант математического описания автоматической системы, позволяющий создать прикладной прототип АСУ
Структура блок-схемы подразумевает циклический процесс, каждый проход которого состоит из следующих шагов:
- разработка содержательной части прикладной задачи;
- синтез математической задачи с фиксированными параметрами при помощи математического аппарата теории автоматического управления;
- выбор параметров оптимизации и нахождение оптимальных параметров математической задачи.
Третья стадия может идти по двум путям. Первый вариант - остановка поиска и, как следствие, завершение процесса идентификации. Это возможно в том случае, когда полученные параметры позволяют получить адекватную постановку. Второй вариант - окончание поиска означает переход на первую стадию следующего цикла.
Каждая последующая итерация цикла содержит шесть шагов:
1) коррекция содержательной части задачи;
Идея создания автоматической системы Рисунок 1 - Блок-схема структурной идентификации
2) предварительный выбор постановки задачи:
2.1) конструирование пробной постановки предварительного выбора;
2.2) решение пробной постановки (результат решения - алгоритм предварительного выбора);
2.3) определение пробной постановки задачи на основе разработанного алгоритма;
3) решение пробной прикладной задачи, дающее в результате алгоритм синтеза математического описания автоматической системы на базе теории автоматического управления;
4) формирование математического описания автоматической системы;
5) получение прототипа АСУ;
6) тестирование системы на соответствие требованиям, предъявляемым конечным потребителем.
Данный подход подробно описан в отечественной и зарубежной литературе (Гинсберг, 1998; Трапезников, 1965).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Процесс получения пеллет является сложным объектом, включающим в себя различные технические машины. В данный момент малые предприятия занимающиеся их производством используют малоэффективные системы автоматизации из-за чего несут потери прибыли, что снижает интерес предпринимателей в данном сегменте производства. Вторичное использование материалов, безотходное производство и общее улучшение экологии является одним из приоритетов государственной политики. Новый подход к процессу идентификации позволит оптимизировать модель производства и, как следствие, повысить эффективность систем управления.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Safonov A.O. Prospects for the development of the biofuel
market // The VII international Conference on Agricultural,
Biosystems, Biotechnology and Biological Engineering»:
proceedings. — Singapore, 2011. — P. 145-148.
Петровский В.С. Статика процесса сушки древесных частиц в барабанных сушилках [текст]/ В.С. Петровский [и др.] — Воронеж: Воронеж. гос. лесотехн. акад., 2000. - 114 с.
Сафонов А.О. Тепломассоперенос и динамика сушки дисперсных материалов в барабанных сушилках. [текст]/ А.О. Сафонов - Воронеж: Воронеж. гос. ун-т, 2002. -240 с.
Сафонов А.О. Пути рационального использования отходов древесины и сельскохозяйственных растений [текст]/ А.О. Сафонов [и др.]// Вестник Таджикского технического ун-та. - 2012. - № 4 (16). - С. 10-14.
Заде Л.А. (L.A. ZADEH). Разумное обоснование «размытого» управления [текст]/ L.A. ZADEH // Труды американского общества инженеров - механиков. Серия G. Динамические системы и управление. 1972. № 1. С. 20-21.
Калман Р. Элементарная теория управления с современной точки зрения [текст]/ Р. Калман, [и др.] - Очерки по теории систем. М.: Мир, 1971. С. 34-81.
Красовский А.А. Предисловие / Справочник по теории автоматического управления [текст]/ Под. ред. А.А. Кра-совского. М.: Наука, 1987. С. 13-18.
Красовский А.А. Исторический очерк развития и состояния теории управления [текст]/ А.А. Красовский. Избранные труды: Самые ранние - самые новые. М.: Наука, 2003. С. 474-507.
Перре Р. (R. PERRET). Автоматическое управление как наука управления [текст]/ R. PERRET // Труды американского общества инженеров - механиков. Серия G ина-мические системы и управление. 1972. № 1. С. 13-16.
Дискуссия на заключительном заседании [текст]/ Труды II Всесоюзного совещания по теории автоматического регулирования. Том III. М.-Л.: АН СССР, 1955. С. 166-179.
Трапезников В.А. Из вступительного слова академика В.А. Трапезникова [текст]/ Самонастраивающиеся системы . М.: Наука, 1965. С. 3-4.
ХО (Y.C. HO). Теория автоматического управления, прикладная математика и техника управления [текст]/ Y.C. HO // Труды американского общества инженеров - механиков. Серия G. Динамические системы и управление. 1972. № 1. С. 10-13
Гинсберг К. С. Основы системного моделирования реального процесса структурной идентификации: ключевые понятия [текст]/ К. С. Гинсберг // Автомат. и телемех., 1998, выпуск 8, 97-108
Поступила в редакцию 21.06.16 Принята к печати 12.09.16
