WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи


Хрипков Алексей Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНО-МОДУЛЯЦИОННЫХ МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЛИНЕЙНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

05.13.01 – системный анализ, управление и обработка информации (энергетика, приборостроение, информатика, производственные процессы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре управления и информатики.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Анисимов Дмитрий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор кафедры ПУ МИРЭА

Романов Михаил Петрович

кандидат технических наук,

доцент кафедры АСУТП МЭИ(ТУ)

Зверьков Владимир Петрович

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт

электромеханики, г. Истра

Московской области

Защита состоится « 12 » ноября 2009 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.08 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу:

Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Малый актовый зал МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.08,

кандидат технических наук, доцент

Анисимов Д.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Данная диссертация посвящена исследованию метода экспоненциальной модуляции, сравнительному анализу методов интегрально-модуляционного класса, а также анализу внутренней структуры линейных объектов, представляющей собой как последовательные, так и параллельное соединение динамических блоков.

Метод экспоненциальной модуляции (МЭМ) является достаточно новым. Первые опыты практического применения МЭМ были получены при исследовании динамических свойств установки для выращивания кристаллов, а также при постановке лабораторных работ по курсу «Электромеханические системы» и позволили выявить ряд его достоинств, а именно:

- простота его восприятия разработчиками и исследователями систем управления;

- простота его программной реализации;

- высокая помехоустойчивость.

Ранее был проведен ряд исследований, посвященных отдельным аспектам применения интегрально-модуляционных методов идентификации, но полученные данные не были систематизированы, в связи с чем возникла необходимость разработки некоторого обобщенного критерия, позволяющего судить об эффективности оценивания параметров объекта различными методами.

В задачах анализа и синтеза динамических систем достаточно часто встречаются случаи, когда несколько блоков включены в структуру параллельно. Обычно в таких случаях подобные соединения стараются преобразовать в эквивалентные последовательные схемы. Это не вызывает особых трудностей и упрощает исследование всей системы в целом. Однако иногда возникают задачи, в которых представление системы именно в виде параллельной модели является принципиально важным, поскольку оно позволяет более полно учесть специфику функционирования системы. Этим также обусловлена актуальность поставленной задачи.

Целью диссертационной работы является определение основных свойств интегрально-модуляционных методов идентификации динамических объектов на основании их комплексных исследований.

Основные задачи исследования

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

  1. Разработка программного обеспечения, позволяющего моделировать различные объекты, приближённые к реальности (т.е. с учётом помех), и реализующего алгоритм идентификации методом экспоненциальной модуляции.
  2. Сравнительный анализ методов идентификации интегрально-модуляционного класса.
  3. Определение влияния различных факторов, таких как: выбор постоянных времени модулирующих функций, параметры сигнала помехи, шаг дискретизации, вид входного сигнала, возможность проведения множественного эксперимента на статистические характеристики оценок параметров динамического объекта.
  4. Разработка алгоритма, позволяющего определять параметры объекта с параллельно включенными динамическими звеньями.
  5. Исследование возможности применения метода экспоненциальной модуляции для диагностики патологий сетчатки глаза.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используются методы, базирующиеся на теории вероятностей, теории автоматического управления, имитационном моделировании и численных методах.

Достоверность результатов. Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается экспериментальными исследованиями, а также натурными экспериментами.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

  1. На основании комплексных исследований метода экспоненциальной модуляции определены зависимости погрешностей оценивания параметров объекта от различных факторов.
  2. Предложен критерий для сравнения погрешностей оценивания в классе интегрально-модуляционных методов.
  3. Разработан алгоритм представления динамического объекта в виде модели с параллельно включенными звеньями.

Практическая значимость работы. Основные теоретические результаты работы доведены до уровня их практического применения в виде программного комплекса для задачи идентификации динамических объектов. Разработанное программное обеспечение позволяет проводить сравнительный анализ методов интегрально-модуляционного класса, а также выбрать их параметры для достижения наилучших результатов в конкретных задачах. Полученные в работе аналитические соотношения позволяют проводить идентификацию объектов, содержащих параллельно включенные блоки, и тем самым разложить наблюдаемый сигнал на сумму нескольких исходных.

Реализация результатов. Результаты данной диссертации были использованы при проведении работы «Исследование и разработка методов и моделей диагностики сложных проблемных ситуаций на основе методов искусственного интеллекта», выполняемой совместно с НИИГБ им. Гельмгольца, поддерживаемой Российским фондом фундаментальных исследований (проект 07-01-00762).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях «Информационные средства и технологии» 2003-2007гг., 13, 14, 15, 16 и 17 Международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», 10, 11, 12 и 13 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».

Основные положения диссертации опубликованы в шестнадцати печатных работах, в том числе в 2-х статьях в журналах, рекомендованных ВАК для защиты кандидатских диссертаций.

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликованы шестнадцать печатных работ, в том числе одна в журнале «Проблемы управления» и одна в журнале «Вестник МЭИ», включённых в перечень ведущих рецензируемых научных журналов ВАК РФ. В публикациях, написанных в соавторстве, автору принадлежат основные результаты.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной материал работы изложен на 173 страницах и включает 54 рисунков и 9 таблиц. Список литературы содержит 96 источников. Объем приложений составляет 42 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, рассмотрены структура и основные положения работы.

В первой главе сформулирована общая постановка задачи идентификации, рассмотрены частные случаи постановки задачи идентификации. Описаны основные принципы и методы идентификации линейных динамических объектов, существующие на данный момент, такие как:

  • методы переходных функций;
  • частотные методы;
  • корреляционные методы;
  • метод наименьших квадратов;
  • обобщенный метод наименьших квадратов;
  • метод максимального правдоподобия;
  • метод байесовских оценок;
  • метод инструментальной переменной.

Показано, что каждому методу присущи свои достоинства и недостатки. Одним из существенных аспектов, характеризующих эффективность того или иного метода, является возможность его применения в условиях помех. С этой точки зрения хорошо зарекомендовали себя методы интегрально-модуляционного класса, поскольку сам принцип их построения подразумевает фильтрацию высокочастотной помехи. Интегрально-модуляционные методы (ИММ) основаны на перемножении входного и выходного сигналов объекта на специально формируемые модулирующие функции (МФ) и вычислении площадей под образованными кривыми. Данный принцип обеспечивает высокую помехоустойчивость ИММ. К настоящему времени предложено два метода, относящихся к классу интегрально-модуляционных: метод модулирующих функций (ММФ) и метод экспоненциальной модуляции (МЭМ).

В основе ММФ лежит дифференциальное уравнение связи между входным и выходным сигналом

(1)

Пусть процессы на входе и выходе объекта наблюдаются от момента времени t=0 до t=TH. Сформируем (п-1) раз дифференцируемые на интервале [0; TH] модулирующие функции исходя из условия

(2)
где i-я производная функции по времени.

Перемножим левую и правую части (1) на и проинтегрируем полученное уравнение по t в пределах от 0 до ТН:

(3)

Поскольку сигнал y(t) обычно является зашумленным, то вычисление его производных сопряжено с большими ошибками. Вместе с тем, легко можно определить производные функции v(t), поскольку они сформированы самостоятельно. Интегрируя (3) по частям и принимая во внимание, что (условие (2)), получим

(4)
Обозначив получим

(5)
Таким образом, получено алгебраическое уравнение, связывающее вычисленные площади с параметрами В качестве модулирующих выбраны следующие функции, удовлетворяющие условиям (2):

  • полиномы вида ; (6)
  • гармонические функции ; (7)
  • гауссовские функции ; (8)
  • функции Пуассона ; (9)

Метод экспоненциальной модуляции (МЭМ) также можно отнести к классу интегрально-модуляционных методов, поскольку здесь также предполагается умножение входного и выходного сигналов на специально формируемые модулирующие функции с последующим вычислением площадей под образованными кривыми. Однако, по сравнению с ИММ, в основе которого лежит интегрирование дифференциального уравнения (1) и использование модулирующих функций типа (6)–(9), МЭМ обладает рядом очевидных преимуществ, а именно:

  • в качестве модулирующих используются только показательные функции, что избавляет от необходимости формировать (n-1) их производных и упрощает реализацию метода;
  • при выводе метода используется аналогия с преобразованием Лапласа, что делает его весьма доступным для понимания;
  • количество вычислений, необходимых для реализации МЭМ примерно вдвое меньше по сравнению с другими методами класса ИММ;
  • специфика модулирующих функций делает возможным точное определение плотности распределения оценок параметров объекта при воздействии на него помех различного вида.

Показана необходимость проведения комплексного исследования методов интегрально-модуляционного класса.

В задачах анализа и синтеза динамических систем достаточно часто встречаются случаи, когда несколько блоков включены в структуру параллельно. Обычно в таких случаях подобные соединения стараются преобразовать в эквивалентные последовательные схемы. Это не вызывает особых трудностей и упрощает исследование всей системы в целом. Однако иногда возникают задачи, в которых представление системы именно в виде параллельной модели является принципиально важным, поскольку оно позволяет более полно учесть специфику функционирования системы. Подобная проблема возникает, в частности, при описании режимов работы парогенераторов, при терапевтической электронейростимуляции, при снятии электроретинограмм. Этим также обусловлена актуальность поставленной задачи.

Вместе с тем, в ряде практических задач возможно лишь измерение суммы сигналов, поступающих с выходов разных блоков. При этом выделим два возможных случая:

  • на вход каждого блока подаются различные независимые сигналы;
  • на вход каждого блока подается один и тот же сигнал.

В связи с этим показана необходимость разработки методики построения параллельной модели, позволяющей решить задачу декомпозиции динамических процессов.

Вторая глава посвящена комплексному исследованию следующих интегрально-модуляционных методов:

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»