В статье рассматриваются трудности управления сложными нестационарными динамическими объектами, такими как объекты химико-технологических производств. Ввиду этих трудностей возникает необходимость в применении новых теорий управления, учитывающих особенности таких объектов. Одним из таких принципов является разработанная академиком С. В. Емельяновым теория бинарных систем.
Ключевые слова:управление, нестационарные процессы, параметрическая неопределённость, бинарные системы управления, бинарность, химико-технологические процессы.
В любой системе автоматического управления выделяются объект управления и управляющее устройство (регулятор) системы. Назначение регулятора заключается в формировании сигналов управления, действующих на технологический объект, с целью обеспечения требуемых свойств управляемого процесса [1].
Традиционно при построении систем управления технологическими объектами предполагалось, что математическое описание ОУ и возмущающих воздействий известны или могут быть определены. Однако, в последнее время ставятся задачи управления технологическими объектами, в которых действие или влияние окружающей среды приводит к неполной определенности в структурном представлении и в значениях параметров объекта управления [2]. Нестабильность реального промышленного объекта нередко приводит к тому, что полное описание такого ТО может оказаться сложной, а иногда и неразрешимой задачей. В этом случае целесообразно иметь представление о характерных нестабильностях ОУ, с которыми сталкиваются на практике и, если возможно, дать им количественные оценки. Эти сведения должны помочь проектировщику в создании эффективных систем управления при наличии возмущений среды с минимальными затратами на средства управления.
Для промышленных объектов характерным является изменение таких параметров, как постоянные времени, коэффициенты передачи, время чистого запаздывания. В реальных технологических объектах эти параметры могут изменяться в несколько раз. Темп изменения этих параметров зависит от природы возмущающих их факторов. Параметры технологических процессов изменяются медленнее, чем, например, параметры электромеханических процессов. Причем параметры реальных технологических объектов, как правило, связаны нелинейными, трудноопределимыми зависимостями. Нестабильность в технологических объектах и системах управления является следствием действия двух факторов: нестационарности и нелинейности.
Отличительными особенностями современных химических производств, представляющих собой сложные кибернетические системы, являются [3]:
- наличие большого количества взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как одно целое аппаратов;
- нестационарность статических и динамических характеристик процессов, протекающих в аппаратах;
- наличие большого числа внешних и внутренних факторов, влияющих на процесс функционирования, неконтролируемых возмущений;
- сложность характера зависимости между входными и выходными переменными процесса, наличие нелинейностей, запаздывания;
- разнообразие химических и физико-химических процессов, протекающих в аппаратах;
- наличие большого числа рецеклических и перекрёстных связей;
- невоспроизводимость экспериментов, связанных с зашумлённостью и нестационарностью сложной системы, которая проявляется в различной реакции системы на одну и ту же ситуацию или управление в разные моменты времени;
- многомерность, то есть наличие большого числа входов, влияющих на качественные и количественные показатели выходной величины.
Указанные особенности становятся существенным препятствием при создании высокоэффективных систем управления (СУ) химико-технологическими процессами (ХТП) и создаёт трудности на всех этапах разработки СУ от построения математической модели объекта управления до опытной эксплуатации системы. В этом смысле одной из главных является проблема неопределённости и нестационарности управляемых процессов, в решении которой можно выделить два основных пути. Первый путь имеет в своей основе изучение объекта управления и получение сложной математической модели, учитывающей тонкие её свойства. Выполнение таких исследований всегда трудоёмко, а иногда и невозможно из-за сложности изучаемых явлений. Второй подход предлагает создание методов теории управления, которые позволили бы иметь дело с существенно неопределёнными объектами и обеспечивали требуемое качество управления при произвольном изменении параметров объекта в широких диапазонах.
Одним из направлений развития принципов адаптивного управления является теория бинарных систем [4]. Суть этого подхода состоит в систематическом применении при структурном синтезе системы принципа регулирования по отклонению и расширению на этой основе множества типов обратных связей, позволяющих построить обобщенную структурную схему системы, в рамках которой при надлежащем выборе операторов обратной связи и их параметров возможно устранения влияния на процесс регулирования неконтролируемых параметрических и координатных возмущений [5].
Если в обычных системах автоматического управления (САУ) с координатной-обратной связью (КОС) необходимость в автоматическом способе формирования выходного сигнала регулятора вызвана отсутствием информации о координатных возмущениях, то в рассматриваемом случае, кроме того, отсутствием достаточной информации об операторе объекта регулирования, а точнее, о тех операторных возмущениях, которые приводят к его изменению во времени.
Исходной посылкой в предложенной академиком С. В. Емельяновым новой методологической основе построения структурных схем САУ, позволяющей расширить возможности автоматических систем по управлению динамическими объектами в условиях неполной информации, является вновь введенное понятие сигнала-оператора или переменной оператора. Переменная-оператор (сигнал-оператор) представляет собой какое-либо преобразование, осуществляемое над переменными-координатами. Введённое различие между переменными-координатами и переменными-операторами следует понимать условно, как удобный для использования методологический приём. Переменную будем называть координатой, если над ней осуществляется то или иное преобразование, и ту же самую переменную назовём оператором (операторной), если она определяет вид преобразования, выполняемого над какой-либо координатой.
В соответствии с [4] двойственное толкование переменных состояния нелинейной динамической системы принято именовать принципом бинарности, а динамические системы, построенные на основе принципа бинарности — бинарными динамическими системами автоматического управления (БИСАУ). Методологическое отличие между подходом к синтезу бинарных систем и подходом к построению большинства адаптивных систем управления заключается в замене принципа регулирования о возмущению или о его оценкам на принцип регулирования по отклонению для компенсации операторных (параметрических) возмущений в операторе объекта регулирования. Под отклонением здесь понимается некоторая величина, связанная с отличием фактических свойств системы от требуемых в постановке задачи управления. При таком подходе отпадает необходимость в оценке текущих характеристик оператора, что сулит существенные преимущества и, в частности, позволяет ослабить или снять ограничения типа условий квазистационарности управляемого процесса.
Помимо снятия ограничения квазистационарности, преимуществом БИСАУ над прочими теориями управления является то, что бинарные системы управления не требуют длительного периода подготовки к эксплуатации, как например интеллектуальные системы управления на базе нейроподобных сетей и нечеткой логики. Применение принципа регулирования по отклонению позволяет создавать системы инвариантные к множеству возмущений, действующих на объект управления, что так же упрощает саму СУ и её эксплуатацию. Так же отпадает необходимость в построении эталонных моделей для оценки изменений параметров объекта, как например в прочих адаптивных системах.
Исходя из сказанного выше, применения теории бинарных систем для управления сложными нестационарными динамическими объектами, такими как объекты химико-технологический производств очень перспективным.
Литература:
1. Бесекерский В. А. Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. 3-е изд. — М.:Наука, 1975. — 768 с.
2. Догановский С. А. Параметрические системы автоматического регулирования. М.: Энергия, 1973.
3. Герасимов В. В., Корноушенко Е. К. Диагностирование динамических систем, заданных структурными схемами с нелинейными и нестационарными элементами // Автомат. и телемех.1990. № 4. С. 133–144.
4. Емельянов С. В. Бинарные системы автоматического управления.- М.: МНИИПУ, 1984.-313 с.
5. Емельянов С. В., Коровин С. К. Новые типы обратной связи: Управление при неопределенности.- М.: Наука. Физматлит, 1997.- 352 с.
