WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Никишин Александр Федорович

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИМИТАЦИОННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ НЕЛИНЕЙНОГО ДИНАМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА

Специальность 05.13.01

“Системный анализ, управление и обработка информации

(энергетика, приборостроение, информатика, производственные процессы)”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2008

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Техническом университете) на кафедре Управления и информатики.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Колосов Олег Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Лохин Валерий Михайлович

кандидат технических наук

Цепляев Николай Алексеевич

Ведущая организация:

Научно-Исследовательский институт электромеханики (НИИ ЭМ), г. Истра Московской области.

Защита диссертации состоится «20» ноября 2008 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.08 в Московском энергетическом институте по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14, Малый актовый зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Учёный Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «____»______________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.08,

кандидат технических наук, доцент Анисимов Д.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена исследованию методики поиска структуры нелинейного динамического объекта с несколькими нелинейностями последовательной структуры с использованием имитационного эксперимента.

Актуальность работы. В практике автоматического управления значительное место отводится оценке динамических свойств элементов и структур, имеющих один вход и один выход. Примером могут служить акселерометры маятникового типа с электрическими пружинами и керамическим подвесом, двигатели (асинхронные и синхронные), управляемые инверторами, отдельные микропроцессорные блоки, управляющие динамическими объектами с заранее запрограммированными режимами и т.д. Подобные устройства и объекты сами входят как составные элементы в структуры более сложных систем. Зачастую изготовление подобных устройств заканчивается комплексными проверками по снятию и анализу их переходных процессов, частотных характеристик и т.д. Комплекс таких характеристик выявляет их нелинейную структуру, которую в случае отсутствия достоверного математического описания удобно представлять в виде последовательного соединения линейной части и нелинейного элемента. К такому представлению относятся модели Винера и Гаммерштейна.

Однако подобное представление динамического объекта сложной внутренней структуры является в значительной мере ограниченным. В общем виде структуру объекта целесообразно представлять рядом последовательно соединенных динамических звеньев и статистических нелинейностей. Выявление подобной структуры вызывает значительные трудности, так как частотные характеристики таких объектов оказываются зависимыми как от амплитуды, так и от частоты подаваемого на вход гармонического воздействия. Анализу подобных характеристик в 70-е годы прошлого столетия были посвящены многочисленные работы. Например, работы Е.П.Попова и его учеников. Однако развиваемый в этих работах подход к анализу объектов нелинейной структуры по ансамблю частотных характеристик не получил развития в силу технической сложности реализации такого подхода. Это отсутствие управляемых генераторов, невозможность осуществления надежной синхронизации входных и выходных сигналов, низкая точность регистрации изменяющихся аналоговых сигналов и последующая их обработка и т.д.

В настоящее время развитие вычислительной техники, ее точность, быстродействие и широкие функциональные возможности позволяют вернуться к задачам экспериментальной оценки динамических свойств объекта на новом качественном уровне.

Работы по структурной и параметрической идентификации нелинейных объектов обсуждаются на множестве конференций и симпозиумах. Однако наибольший интерес в данной постановке представляет развиваемый в Московском энергетическом институте многоэтапный подход по выявлению и возможному представлению сложного нелинейного динамического объекта в виде последовательно соединенных линейных динамических звеньев и нелинейных элементов. Подход этот реализуется в три этапа: снятие сквозной статистической характеристики,

оценке порядка и параметров нелинейной части в окрестности рабочей точки, и съему и обработке частотных характеристик. Съем и обработка частотных характеристик может повторяться с разными дополнительными условиями в зависимости от полученных ранее результатов.

Однако подобный подход не свободен от недостатков, так как при его реализации используется математическое описание нелинейных элементов в виде эквивалентного комплексного коэффициента усиления (ЭККУ). Такой подход позволяет уменьшать время при поиске адекватной структуры, но при этом сильно сужает круг рассматриваемых нелинейных элементов, ограничивая его типовыми и приводит к дополнительным погрешностям в оценке вида частотных характеристик предполагаемой структуры объекта.

Снятию этих ограничений может способствовать поиск адекватной структуры путем имитационного эксперимента, когда нелинейный элемент воспроизводится в модели в том виде, как его необходимо представлять по результатам декомпозиции сквозной статистической характеристики. Далее для воспроизводимой нелинейной структуры определяются соответствующие частотные характеристики путем повторения на предполагаемой модели эксперимента, проведенного на объекте, и результаты сравниваются с экспериментальными.

Такой подход неизбежно приводит к резкому увеличению загрузки вычислителя, если использовать простой перебор при поиске адекватной структуры и требует специального рассмотрения с целью разработки соответствующей методики, позволяющей сократить время поиска адекватной структурной схемы объекта.

Таким образом, в данной работе рассматривается возможность применения современных ЭВМ для решения задачи поиска структуры нелинейного динамического объекта с несколькими нелинейностями последовательной структуры с использованием имитационного эксперимента.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании возможности применения современных ЭВМ, в частности, имитационного эксперимента, для поиска структуры нелинейных динамических объектов с несколькими нелинейностями последовательной структуры.

Задачи исследования.

1. Разработка алгоритмов и программ по поиску структурных схем модели объекта с использованием ЭВМ (имитационного эксперимента), которые не накладывают ограничений на вид входного периодического тестового сигнала и не приводят к ошибкам из-за гармонической линеаризации нелинейных элементов, т.к. она не проводится.

2. Разработка методики проведения экспериментальных исследований как на объекте, так и на модели с целью уменьшения времени поиска адекватной структуры.

3. Разработка рекомендаций оператору при поиске адекватной структуры на третьем этапе методом имитационного эксперимента по обоснованному выбору: производить ли один эксперимент на объекте и большое количество имитационных экспериментов при поиске адекватной структуры модели или уменьшить число имитационных экспериментов при одновременном увеличении числа экспериментов на самом объекте.

Научная новизна.

1.Предложено и обосновано использование имитационного эксперимента для поиска адекватной структуры модели динамического объекта с несколькими нелинейными элементами последовательно перемежающихся с линейными динамическими блоками.

2.Разработана методика проведения имитационного эксперимента при поиске адекватной структуры объекта, которая позволяет оценивать целесообразность проведения дополнительных экспериментов на объекте и минимизировать число экспериментов на модели..

3.Предложена оценка вычислительных затрат для проведения имитационных экспериментов при различных вариантах проведения активного эксперимента на идентифицируемом объекте.

4.Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для проведения декомпозиции сквозной статической характеристики идентифицируемого объекта на последовательное соединение более простых нелинейных элементов с учетом некоммутативности перестановок нелинейных элементов между собой..

5.Исследована возможность получения частотных характеристик с использованием различных периодических тестовых сигналов.

На защиту выносятся.

1. Методика многоэтапного подхода для поиска параметров структуры нелинейного динамического объекта.

2. Аппроксимация и декомпозиция сквозной статической характеристики на несколько нелинейных элементов.

3. Методика использования вычислительного эксперимента для поиска структуры нелинейного динамического объекта.

4. Оценка вычислительных затрат при проведении вычислительного эксперимента; пути их снижения.

5. Результаты проведенного исследования при помощи разработанного соответствующего программного обеспечения.

Практическая значимость работы заключается в разработке специализированного программного обеспечения, позволяющего оператору рационально проводить имитационный эксперимент при поиске адекватной модели динамического объекта с несколькими нелинейностями в процессе поиска адекватной структурной схемы объекта с несколькими нелинейностями. В состав программного обеспечения входит программа сглаживания, аппроксимации и декомпозиции сквозной статической характеристики объекта, для представления ее в виде последовательного соединения типовых линейных динамических звеньев и статических нелинейных звеньев с фиксацией места каждого звена в структуре.

Апробация работы. Результаты работы обсуждены на следующих конференциях и семинарах: На международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии», 16-18 окт. 2001 г., Москва, МЭИ; на 7 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, 2001 г., Москва, МЭИ; На международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии», 15-18 окт. 2002 г., Москва, МЭИ; На 11 международном НТС «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2002; На 2 международной конференции «Идентификация систем и задачи управления», Москва, ИПУ, 2003 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 129 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков, 12 таблиц. Список литературы содержит 63 наименования. В приложении приводится акт об использовании результатов работы в учебном процессе.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится актуальность темы, ее место среди прочих исследований, приводится научная новизна работы.

Первая глава посвящена теоретическому анализу проблемы определения структурных схем нелинейных динамических объектов. Построение структурной схемы нелинейного динамического объекта и выявление его структуры – это два принципиально разных понятия. Второе понятие целиком относится к области идентификации объекта, но имеет неоднозначную трактовку, так как связано с ограничениями математической модели объекта, который может быть как линейным, так и нелинейным.

Построение же структурной схемы подразумевает использование результатов идентификации объекта для представления модели объекта в виде схемы соединения блоков, имеющих известное описание. Структурная схема облегчает последующий анализ и синтез алгоритмов управления проектируемой системы.

В настоящее время существует огромное количество методов, посвященных идентификации линейных систем [9-13]. Результатом идентификации линейных объектов является оценка порядка дифференциального уравнения, связывающего входные и выходные сигналы и параметры этого уравнения (включая также правую часть). Построение структурной схемы модели такого объекта в виде соединения элементарных динамических звеньев не представляет трудностей и хорошо описано в классических учебниках по теории управления и моделированию систем. На практике чисто линейных объектов не существует. В теории идентификации нелинейных объектов и систем значительное место отводится исследованию двух представлений моделей нелинейных объектов: модели Гаммерштейна и модели Винера, в которых соответственно предполагается, что все статические нелинейности находятся либо перед динамической частью объекта, либо после. Тем не менее, при таких подходах считается, что объект содержит одну нелинейность, а это сужает область рассматриваемых объектов. В главе приводится обзор методов исследования нелинейных объектов и систем и показывается, что задача построений структурной схемы нелинейного объекта последовательной структуры, имеющего один вход и один выход с чередующимися линейными динамическими и нелинейными статистическими блоками решается с использованием многоэтажного подхода. Этот подход, в разработке которого принимал участие и автор, аккумулирует различные подходы по идентификации линейных и нелинейных объектов по определенной методике. Эта методика в виде структурной схемы представлена на рис.1.а.

Рис 1. Процедура методики поиска структурной схемы нелинейного динамического объекта с несколькими нелинейстями. а – поиск с использованием расчетного ЭККУ нелинейных элементов, b – поиск с применением имитационного эксперимента.

Pages:     || 2 | 3 |






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