CC BY
20
УДК 681.335(07)
ОПЕРАТИВНЫЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЙ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
© М.Е. Глинкин, Е.И. Глинкин
Ключевые слова: когнитивная матрица; способ оптимального управления, многопарамстричсский объект; динамический анализ; энергосбережение.
Предложен способ управления объектом в виде когнитивного графического образа эквивалентов, формируемого в адресном пространстве кодовой матрицы постоянного запоминающего устройства автоматизированной системы оперативной диагностики технического и функционального состояния многопараметрического объекта для улучшения метрологической и технологической эффективности за счет автоматического оптимального управления энергосбережением.
В известных способах оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта децентрализованного типа [1] все сигналы рассчитываются по индивидуальным функциям, которые выполняют заранее заданную операцию над управляющим сигналом. Недостатками таких решений являются рассредоточение информации по разным функциональным структурам, чрезмерная усложненность устройства, невозможность оперативного динамического анализа результирующих переменных вследствие независимости информационных каналов друг от друга.
Устройства и способы централизованного динамического контроля и анализа состояний многопараметрического объекта [2] заключаются 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, средств 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.
I [елыо предлагаемого способа является улучшение метрологической и технологической эффективности за счет автоматического оптимального управления энергосбережением, использующим 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 цель достигается тем, что в способе оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта, заключающегося в измерении и оценке общего состояния многопараметрического объекта по |рафичеекому образу когнитивной матрицы {Ф} = {¿1*£2}. 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 - множество управляющих воздействий, ¿2 - меры оценки затрат на управление.
Сущность предлагаемого способа оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта заключается в измерении и оценке общего состояния объекта, информация о котором представлена в виде ког нитивного графического образа эквивалентов оптимального управления {Ф} = {/.|*/.2} (рис. 1), формируемого по данным диагностической информации (рис. 2, кривая г) с последуюгцим синтезом энергосберегающих управляющих воздействий в масштабе реального времени (рис. 3, кривая и).
Результаты полного анализа процессов динамики оптимального управления объектом представляют в виде образов эквивалентов (рис. 1), которые формируют в адресном пространстве кодовой матрицы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Этот образ находят априори из полного анализа процессов динамики огттимального управления объектом, описываемой моделью двойного апериодического звена с минимизируемым функционалом по затратам энергии. Использование когнитивного графического образа экви-
Рис. 1. Матрица множества состояний оптимального управле-
ры 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.
R = (зрагАи^и^.г^.г^оЛ)- (2)
Результатом анализа является получение когнитивного образа в виде цветокодовой матрицы {Ф!={/,|*Л2| областей существования управлений (рис. I). Вид минимизируемого функционала сохраняется на всем временном интервале управления
/э = \u2(t)dt min , (3)
•> и
'о
валентов 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
¿1
г2 =а,2,(/)+а222(/)+Ц4
(О
где и г2 представляют собой фазовые координаты, параметры й) и а2 характеризуют инерционность объекта управления, параметр Ь - коэффициент усиления управляющего воздействия «(/).
Для определения оптимальных управляющих воздействий и , реализующих оптимальное энергосберегающее управление но переводу многопараметрического объекта из начального состояния г в конечное
, при заданной скорости изменения данной фазовой Ок.
координаты ог г 2 до г 2 ■ необходима сложная двух-этапная 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 процеду-
Рис. 3. Управляющее воздействие на объект
«'(•)= ИОМ'оЛ]). (4)
управляющее воздействие на заданном временном интервале ограничено
V/e[i0,/K]: «(i)e [«„,«/„], (5)
z,z">C яо
да
йо
ля
1»
Ii»
к
о
О t 2 ) < ((,>«.-
Рис. 2. Состояния многопараметрического объекта
где и„ - нижний порог управляющего воздействия; и, -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 (рис. 1) областями, для которых существует оптимальное управление, будут являться области 1, II, III, IV, V, VI, VII.
Синтез управляющих воздействий осуществляется по результатам полного анализа, проведенного априори и представленного в виде когнитивного графического образа {Ф}={Л|*£2), сформированного в адресном пространстве кодовой матрицы ПЗУ устройства управления по массиву исходных данных реквизитов задачи оптимального управления (2).
В результате процедуры синтеза оптимального управления определяем область (рис. I), в которую попадает точка 5 с координатами (1,Д,2). Каждой области соответствует определенный вид функции управления.
В случае если оптимальное управление не найдено, т. е. координаты точки 5 = (¿|,£2) не принадлежат областям I—VII когнитивного графического образа, то осуществляется автоматический перевод устройства управления из оптимального в традиционный для многопараметрического объекта режим функционирования.
Докажем эффективность предлагаемого способа оперативного динамическог о анализа состояний мно-гопараметрического объекта относительно прототипа. Теоретические исследования и практические результаты показывают, что при оптимальном управлении уменьшение затрат энергии может достить от 5 до 40 % но сравнению с традиционно используемыми управляющими воздействиями [3, 4] В качестве примера рассмотрим перевод теплового объекта
нагревательной плиты - из начального состояния г " в
конечное г * с минимумом затрат энергии. /э - функционал (лимит) затрат энергии при традиционном управлении (рис. 3, кривая и). Следовательно, задача заключается в определении такого управления, которое обеспечит перевод объекта из начального состояния в коггечггое с миггимумом затрат энергии (2).
В результате проведения полного анализа оптимального управления получаем цветокодовую матрицу в виде образов эквивалентов множества состояний оптимального управления (рис. 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 5' (рис. 1) и в соответствии с координатами полученной точки осуществляется выбор вида функции управления и осуществляется се реализация (рис. 2, кривая г , табл. 1).
Таким образом, используя свойство инерционности объекта и несколько большее время нагрева при энергосберегающем управлении, получаем функционал затрат энергии / = 65672, что при сравнении с функционалом затрат энергии стандартного управления соответствует экономии электроэнергии равной 36,85 %.
Таблица 1
Изменение температуры нагревательной системы
Традиционное Энергосберегающее
f, мин. управление управление
z, °С и. В °С и, 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 -
100 о/о = 100 % = 36,85 о/о (6)
Рассчитаем также технологичность заявляемого устройства в сравнении с прототипом.
„2
=1"=1Т; = у То, (7)
Г2=1£,Т,=^Г0> (8)
т = кп, (9)
= = 2-*-10, (10)
где т„ - нормированное время операции (т0 = I), т, -время выполнения всех операций заявленным устройством , т2 - время выполнения всех операций прототипом, п - количество операций, выполняемых заявляемым устройством, т - количество операций, выполняемых прототипом, к - коэффициент эффективности, т] - технологичность.
Результаты полного анализа процессов динамики оптимального управления объектом, найденные априори и сформированные в адресном пространстве ПЗУ устройства в виде образов эквивалентов (рис. I), позволяют исключить процедуру анализа оптимального управления при динамическом анализе состояний мно-
ISSN 1810-019И ВестаикТУУ,т.16, иып 5,2011
го параметрического объекта в реальном масштабе времени, тем самым значительно сократить объем требуемых вычислений и число функциональных блоков устройства по отношению к прототипу. Таким образом, технологичность заявляемых способа и устройства будет от 4 до ¡00 раз выше известных решений в зависимости от типа многопарам етр ичсского у свойства и особенностей его эксплуатации.
Предлагаемый способ оперативного динамического анализа состояний мяогопараметрического объекта позволяет 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 4-400 раз.
ЛИТЕРАТУРА
1. Электрические измерения / пол ред В Н. Малиновского. М.; Энер-гоиэдат, 1982 С 377.378.
2. Теория автоматического управления I под ред. Ю.М. Сштомендо-ва. М.: Высш. шк., 2000. С 202-204.
3. Айжиев iU3. Энергосберегающие технологии. М.: Энергоатом ладит, 1990 64 с.
4. Араке vie В.Е, Kpajep А.И. Методические вопросы экономии энергоресурсов. М.: Энергоатомиадат, 1990 IKS с
Поступила в редакцию 19 февраля 2011 г.
Glinkin М.Е., Glinkin Е.!. OPERATIVE AND DYNAMIC ANALYSIS OF CONDITIONS OF MANY PARAMETRIC OBJECT
A new method of directing of object as a type of cognition graphic image of equivalents is proposed, this method is forming in address space of code matrix of constant memory equipment of automatic system of operative diagnostics of technical and func-tiona! condition of many parametric object for the improvement of metrological and technological efficiency by the automatic optimal management in energy efficiency.
Key wonh. cognition matrix; method of optimal direction; many parametric object; dynamic analysis; energy efficiency.
