1127
.pdfМинистерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»
Адаптивные системы управления технологическими процессами
Методические указания для самостоятельной работы студентов по на-
правлению подготовки 15.04.04 – Автоматизация технологических процессов и производств
Воронеж 2016
2
УДК
Адаптивные системы управления технологическими процессами: Мето-
дические указания для самостоятельной работы студентов по направлении.
подготовки 15.04.04 – Автоматизация технологических процессов и произ-
водств для очной формы обучения / А.А. Грибанов; М-во образования и науки
РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 8 с.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ
Рецензент: д.т.н., профессор, зав. кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» Афоничев Д.Н.
3
1. Введение
Учебным планом по направлению подготовки магистра 15.04.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств» предусмотрено изучение курса «Адаптивные системы управления технологическими процессами».
В результате освоения дисциплины студент должен:
–знать: теоретические основы и математические методы построения адаптивных систем; основные схемы систем адаптивного управления, их состав и особенности функционирования;
–уметь: модернизировать и автоматизировать действующие и проектировать новые автоматизированные и автоматические производственные и технологические процессы с использованием математического аппарата адаптивных систем; анализировать состояние и динамику функционирования средств и систем автоматизации с применением надлежащих современных методов и средств анализа;
–владеть: методами анализа и синтеза адаптивных систем управления; методами организации и контроля работ по наладке, настройке, регулировке, опытной проверке адаптивных систем управления; техникой применения математических пакетов для имитационного моделирования адаптивных систем управления.
2.Общие указания
Методические указания предназначены для студентов магистратуры 2-го курса (3-й семестр) очного обучения. Объем дисциплины и виды учебной работы по семестрам приведены в табл. 1.
Таблица 1 – Объем дисциплины и виды учебной работы
|
Трудоемкость |
Семестр |
||
Виды учебной работы |
Всего |
В зачетных |
3 |
|
|
часов |
единицах |
|
|
|
|
|
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Общая трудоемкость дисциплины |
144 |
4 |
144 |
|
Аудиторные занятия |
54 |
1,5 |
54 |
|
Лекции (Л) |
18 |
0,5 |
18 |
|
Практические занятия (ПЗ) |
– |
– |
– |
|
Лабораторные работы (ЛР) |
36 |
1,0 |
36 |
|
Семинары (С) |
– |
– |
– |
|
Занятия, проводимые в интерактивной |
|
|
|
|
форме (10 % от аудиторных по ФГОС |
6 |
0,16 |
6 |
|
ВО) |
|
|
|
|
4
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Самостоятельная работа (Сам) |
90 |
2,5 |
90 |
|
Контроль самостоятельной работы |
– |
|
– |
|
(КСР) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Курсовой проект (работа) |
– |
|
– |
|
|
|
|
|
|
РГР (ГАР, РАР) |
– |
|
– |
|
|
|
|
|
|
Реферат |
– |
|
– |
|
|
|
|
|
|
Виды итогового контроля (зачет, экза- |
|
|
зачет с |
|
мен) |
* |
* |
оцен- |
|
|
|
|
кой |
|
Цель лекций – дать основные направления по наиболее сложным разделам дисциплины, а также изложить материал по новейшим достижениям, не получившим достаточного освящения в учебной литературе.
Обзорный характер лекций не дает основание рекомендовать их в качестве единственного источника при подготовке к зачету.
Лабораторные занятия посвящены изучению адаптивных систем управления технологическими процессами.
3. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Описание систем в пространстве состояний Описание систем в пространстве состояний. Формы переменных состояния:
нормальная, каноническая, простых множителей. Методы решения систем дифференциальных уравнений. Переходная матрица состояний. Определение переходной матрицы с помощью теоремы Кели-Гамильтона, преобразования подобия и преобразования Лапласа. Передаточные матрицы переменных состояния. Сопряженные уравнения. Управляемость и наблюдаемость линейных стационарных систем. Теоремы Калмана об управляемости и наблюдаемости.
Раздел 2. Общие понятия об адаптивных системах Показатели качества автоматических систем, их зависимость от изме-
няющихся параметров объекта и условий его функционирования. Проблема недостоверности исходных данных при проектировании автоматических систем. Использование принципа адаптации в автоматических системах. Понятие адаптивной системы. Структура адаптивной системы. Контур адаптации. Прямой и идентификационный принципы построения контура адаптации. Классификация адаптивных систем.
5
Раздел 3. Системы управления, оптимальные по быстродействию Постановка задачи об оптимальном быстродействии. Использование
принципа максимума для определения оптимального по быстродействию управления для линейного объекта. Теорема об N-интервалах. Синтез оптимальных по быстродействию замкнутых систем. Фазовый портрет оптимальной по быстродействию системы. Структура оптимального регулятора. Функция переключения и методы определения ее аналитического выражения. Примеры синтеза оптимальных по быстродействию регуляторов.
Раздел 4. Метод динамического программирования в задачах управления Метод динамического программирования в задачах управления. Принцип оптимальности. Функция минимальной ошибки. Функциональное и дифференциальное уравнения Беллмана. Уравнение Гамильтона-Якоби. Уравнение управления. Синтез оптимальных алгоритмов управления методом динамического программирования. Взаимосвязь уравнений Эйлера-Лагранжа, Понтрягина и Гамильтона-Якоби-Беллмана. Матричное уравнение Риккати линейного оптимального управления и его решение. Применение метода динамического
программирования к задачам Майера и Больца.
Раздел 5. Безпоисковые системы адаптации Неполнота априорной информации о математических моделях объектов,
нестабильность характеристик объектов управления. Адаптивные системы управления с моделью объекта. Безпоисковые системы адаптации с эталонной моделью объекта. Анализ работоспособности методов адаптации с моделью объекта, оцениваемой по данным нормальной эксплуатации.
Раздел 6. Поисковые системы адаптации Поисковые системы адаптации по прямым показателям качества. Стати-
стическая оценка сходимости поисковых алгоритмов параметрической оптимизации. Поисковые системы адаптации с прогнозирующей моделью объекта. Косвенные неэкстремальные критерии оптимальности. Поисковая процедура определения оптимальных параметров настройки регуляторов по косвенным неэкстремальным критериям. Поисковые методы адаптации по переходным характеристикам системы регулирования. Формализованные и экспертные алгоритмы. Поисковые методы адаптации по частотным характеристикам системы, уточняемым в процессе поиска. Статистическая обработка результатов шагов адаптации. Поисковые автоколебательные алгоритмы адаптации. Адаптация сложных структур систем регулирования. Требования к техническим средствам для реализации адаптивных систем регулирования.
Раздел 7. Современные тенденции и перспективы развития теории оптимальных и адаптивных систем управления
Концепция многорежимного управления. Анализ динамической ситуации. Контроллер режимов. Комбинирование адаптивного и робастного управлений.
6
4. Лабораторные занятия
Перечень лабораторных работ по курсу для студентов магистратуры очного обучения представлен в табл.2.
Таблица 2 – Перечень лабораторных работ
№ |
Номер раздела |
|
Наименование лабораторных работ |
пп |
дисциплины |
|
|
|
|
||
1. |
Раздел 1 |
|
Составление функциональных схем систем автомати- |
|
|
|
ческого управления (8 часов) |
2. |
Раздел 1 |
|
Экстремальная система автоматического регулирова- |
|
|
|
ния (6 часов) |
3. |
Раздел 2 |
|
Методы организации движения к точки экстремума в |
|
|
|
самонастраивающихся системах (6 часов) |
4. |
Раздел 5 |
|
Самонастраивающаяся система регулирования с эта- |
|
|
|
лонной моделью (6 часов) |
5. |
Раздел 6 |
|
Исследование систем с переменной структурой (10 |
|
|
|
часов) |
|
|
5. Самостоятельная работа бакалавров |
Часть материала курса вынесена на самостоятельное изучение магистров. Темы этой работы представлены в табл.3.
Таблица 3 – Перечень вопросов, выносимых на самостоятельное изучение
№ |
Тема самостоятельной работы |
Номер источника |
п/п |
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
|
|
|
1. |
Предиктор Смита |
1 осн. (С. 17-19) |
|
|
|
2. |
Предиктор на основе метода М. Крстича |
1 осн. (С. 19-23) |
|
|
|
3. |
Алгоритм адаптивной идентификации параметров |
1 осн. (С. 30-60) |
|
смещенного синусоидального сигнала |
|
4. |
Алгоритмы параметрической адаптации регулято- |
2 доп. (С. 47-56) |
|
ров при неконтролируемых возмущениях в испол- |
|
|
нительных ЭП ЭМО |
|
5. |
Построение адаптивного регулятора с использова- |
2 доп. (С. 56-62) |
|
нием наблюдателя состояний ЭМО |
|
6. |
Алгоритмическое обеспечение задач контроля и |
3 доп. (С. 84-93) |
|
первичной обработки информации |
|
7
Контроль самостоятельной работы магистров осуществляется преподавателем. Контроль качества освоения дисциплины проводится посредством текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации обучающихся. Результаты контроля отражаются в баллах модульно-рейтинговой системы оценки знаний магистра.
После прослушивания курса лекций, выполнения лабораторных работ магистр допускается к сдаче экзамена. Контрольные вопросы к зачету студентов магистратуры очного обучения приведены ниже.
6.Контрольные вопросы
1.Принцип адаптации. Типы адаптивных систем.
2.Определение систем экстремального регулирования, их структура, понятие квазистационарного режима и средства его достижения.
3.Определение grad F в экстремальных системах по методу синхронных детекторов.
4.Определение grad F в экстремальных системах по методу дифференцирования F по времени.
5.Определение grad F в экстремальных системах по методу запоминания экстремума.
6.Методы организации движения экстремальных систем к положению экстремума.
7.Оценка устойчивости в малом экстремальных систем, работающих по методу градиента.
8.Построение структурной схемы экстремальной САР, работающей по методу градиента.
9.Построение адаптивных систем с эталонной моделью.
10.Анализ динамики СНС с замкнутым контуром настройки по АЧХ.
11.Системы с переменной структурой. Синтез СПС методом фазовой плоскости.
12.Синтез СПС с искусственным вырожденным движением.
13.Предмет и задача теории инвариантности. Формулировка принципа абсолютной инвариантности.
14.Формулировка принципа инвариантности и его реализация в САУ различных типов.
15.Решение полиинвариантной задачи в одномерных САУ.
16.Условия физической реализации абсолютно инвариантных систем.
17.Решение задачи инвариантного управления в одномерных САУ.
18.Определение систем, инвариантных до . Степень достижения инвариантности в этих системах.
19.Оценка устойчивости систем, инвариантных до .
20.Определение крит в системах, инвариантных до .
8
21.Системы, допускающие бесконечное увеличение коэффициента усиления без нарушения устойчивости. Условия устойчивости.
22.Решение задачи инвариантного управления в комбинированных системах стабилизации.
23.Решение задачи инвариантного управления в комбинированных следящих системах.
24.Решение задачи инвариантного управления в МСАР.
25.Построить структурную схему системы, найти условия инвариантности X 1
от F1 и F2 одновременно:
A11( p) * X1 A13 * X 3 B1 * F1;
A21 * X1 A22 * X 2 A23 * X 3 B2 * F2 g( p); A31 * X1 A32 * X 2 A33 * X 3 B3 * F3;
26. Найти условия инвариантности X 1 от F2 в системе:
A11( p) * X1 A13 * X 3 F1;
A21 * X1 A22 * X 2 F2 g( p); A31 * X1 A32 * X 2 A33 * X 3 0;
27.Определение матричных передаточных функций МСАР: G ( p) , Gq ( p) .
28.Типы многосвязных объектов, переход к каноническому Р-типу.
29.Соотношение понятий инвариантности и автономности в МСАР.
30.Принцип двухканальности Б.Н.Петрова в МСАР.
31.Методы анализа линейных МСАР, области их применения.
32.Метод Найквиста для анализа МОСАР.
33.Метод декомпозиции для анализа МОСАР.
34.Понятие усредненного и относительного движения в симметричных МОСАР.
35.Метод Красовского для анализа антисимметричных МОСАР.
36.Понятие автономного режима работы в МСАР.
37.Методы реализации автономного управления в МСАР.
38.Синтез автономной МОСАР методом ИПС.
39.Синтез автономной МСАР с диагональной матрицей регулятора.
40.Принцип двухканальности и его применение для синтеза автономных МСАР.
41.Методом двухканальности найти ИПС K12 ( p) и K21( p) в двумерной МСАР
с объектом Р-типа. Наложение связей в матрице регулятора произвольное. 42. Найти условия автономности 1 от 2 в двумерной МСАР с объектом Р-
типа. Наложение связей в регуляторе – произвольное.
43. Найти ИПС K12 , исходя из условий автономности 2 от 1, для двухка-
нальной МСАР . Связи в объекте - прямые, связь между регуляторами идет с выхода 1-го объекта на вход 2-го регулятора.
9
44. Найти ИПС K12 ( p) и K21( p) , исходя из условий автономности по возму-
щению . Связи в объектеобратные. Связи в регуляторе - со входа 1-го на вход 2-го и наоборот.
45.Проблема управляемости и наблюдаемости в МСАР. Метод переменных состояния.
46.Найти неуправляемые и ненаблюдаемые моды в МСАР:
|
A |
0 |
|
|
|
|
b b ; ; |
|
|
0,C |
|
. |
|
11 |
|
|
; |
|
|
|
|
|
|||
A |
|
B |
C |
|
||||||||
|
A |
A |
|
|
1 2 |
|
|
|
2 |
|
||
|
21 22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
47. Найти неуправляемые и ненаблюдаемые моды в МСАР:
|
A |
A |
|
|
|
0b ; |
|
|
0,C |
|
. |
|
11 12 |
; |
|
|
|
|
|
||||
A |
B |
C |
|
||||||||
|
0A |
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|||
|
|
22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Библиографический список
Основная литература
1. Бобцов А.А., Пыркин А.А. Адаптивное и робастное управление с компенсацией неопределенностей: Учебное пособие. - СПб.: НИУ ИТМО, 2013. – 135 с. // ЭБС Единое окно доступа к образовательным ресурсам. – Режим дос-
тупа: http://window.edu.ru/resource/687/79687.
Дополнительная литература
2.Букреев В.Г. Математическое обеспечение адаптивных систем управления электромеханическими объектами: Учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2002. – 132 с. // ЭБС Единое окно доступа к образовательным ресурсам. –
Режим доступа: http://window.edu.ru/resource/943/73943.
3.Втюрин В.А. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Основы АСУТП: учеб. пособие. - СПб: СПбГЛТА. 2006. – 152 с. // ЭБС Единое окно доступа к образовательным ресурсам. – Режим дос-
тупа: http://window.edu.ru/resource/030/66030.
10
Грибанов Андрей Анатольевич
Адаптивные системы управления технологическими процессами
Методические указания для самостоятельной работы студентов магистра-
туры направления подготовки 15.04.04 – «Автоматизация технологических
процессов и производств» для очной формы обучения
Редактор С.Ю. Крохотина
Подписано в печать |
Формат бумаги |
Заказ |
||
Объем |
п.л. |
Усл. п.л. |
Уч-изд. л. |
Тираж |
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»