Лазерні інформаційні технології синтезу робастних автоматичних систем управління

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний комітет зв'язку та інформатизації

Національна академія наук України

Державний науково-дослідний інститут інформаційної інфраструктури

УДК.681.51:621.375

Лазерні інформаційні технології синтезу робастних автоматичних систем управління

05.13.06 -- Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Сікора Любомир Степанович

Львів 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному науково-дослідному інституті інформаційної інфраструктури Державного комітету зв'язку та інформатизації і Національної академії наук України, м. Львів.

Науковий консультант:

доктор фізико-математичних наук, професор ДРАГАН Ярослав Петрович , Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор СІРОДЖА Ігор Борисович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Е. Жуковсього, “ХАІ”, м. Харків, зав. кафедри програмування

доктор фізико-математичних наук, професор СОПРОНЮК Федір Олексійович Національний університет ім. Ю. Федьковича, м. Чернівці, зав. кафедри математичних проблем управління і кібернетики

доктор технічних наук, ст. наук. співр. ЯЦИМІРСЬКИЙ Михайло Миколайович Національний університет “Львівська політехніка”, доцент кафедри електронних обчислювальних машин

Провідна установа: Інститут кібернетики ім. В.М.Глушкова НАН України, відділ керуючих машин, м. Київ.

Захист відбудеться 20 квітня 2001р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.813.01 в Державному науково-дослідному інституті інформаційної інфраструктури Державного комітету зв'язку та інформатизації і Національної академії наук України (79601, Львів, МСП, вул. Тролейбусна, 11).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного НДІ інформаційної інфраструктури (Львів, вул. Тролейбусна, 11).

Автореферат розісланий 19 березня 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук Бунь Р.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Потреби сучасної промисловості в автоматизації керування складними технологічними процесами за умов дії сильних збурень зумовили ряд науково-технічних проблем в області оптимального синтезу систем автоматичного керування, які повинні мати робастні властивості. Для задач синтезу систем управління технологічними процесами з високотемпературним і агресивним середовищем характерними є неповнота, нечіткість вихідних даних про динаміку об'єкта управління, існування обмежень на енергетичні і матеріальні ресурси, дія джерел збурень на інформаційні і технологічні структури, інформаційна складність визначення взаємозв'язків і взаємодії між елементами виробничої системи. При непрямих методах контролю і діагностики стану технологічного процесу неадекватні алгоритми відбору та опрацювання сигналу зумовлюють спотворення даних у процесі оцінювання траєкторій стану, а, отже, як наслідок, -- до втрати функціональної і структурної стійкості технологічного процесу, що може привести до аварійної ситуації в технологічній системі (структурі). Недоліки такого підходу можна усунути використовуючи робастні системи.

Інформаційна розмитість образів динамічних ситуацій (апріорна невизначеність) призводить до некоректної їх класифікації і неадекватних ситуаціям процедур прийняття управляючих рішень. Багато з цих проблем, зокрема, проблему завадостійкості в каналах відбору даних, можна розв'язати шляхом застосування лазерних спостерігачів (інформаційно-вимірювальних систем визначення стану об'єкта) в структурах керування технологічними процесами.

Однак спотворений лазерний сигнал не може бути безпосередньо використаний для реалізації класичних регуляторів (пропорційно-інтегруючі стратегії компенсації збурень). Цей сигнал вимагає належного опрацювання для формування інформації про стан керованого об'єкта, який функціонує в умовах дії збурень і завад. Тобто виникає потреба розроблення методів синтезу систем автоматичного управління, які використовують для спостереження стану об'єкта лазерне зондування, а для опрацювання лазерних сигналів -- створення методів та концепцій на основі сучасних інформаційних технологій, щоб отримані в процесі лазерного зондування дані стали підставою для прийняття робастних рішень на керування технологічним процесом за допомогою автоматичної системи.

Отже для отримання даних про стан об'єкта керування з використанням лазерних інформаційних технологій, недостатньо існуючих методів і апаратних засобів, бо об'єкт і відбитий лазерний сигнал характеризуються стохастичною поліритмічною просторово-часовою і енергетичною структурою, що вимагає розроблення нових підходів до опрацювання лазерних сигналів з метою отримання в реальному часі оцінок характеристик траєкторії стану технологічного процесу. В теорії управління технологічними системами, традиційно використовується концепція компенсації збурень у процедурах синтезу стратегій досягнення мети. Однак при дії сильних збурень і завад інформація про стан системи спотворюється, що дезорієнтує процесор оцінення траєкторії руху і призводить до хибних рішень на управління, які виводять систему з околу програмної траєкторії (стану рівноваги). Це показує необхідність вироблення нових підходів, що грунтуються на сучасних здобутках науки і практики.

Нові напрямки в теорії розв'язання задач аналізу і синтезу динамічних систем розвинені в працях таких дослідників: Беллман Р., Красовський А., Понтрягін М., Блехман Н., Моисеєв Н, Красносельський М.; аналізу періодичних режимів у них - Митропольський Ю., Мартинюк А., а керування складними технологічними структурами - Кунцевич В., Кириченко М., Воронов А., Чакі Ф., Ципкін Я., Пугачов В., Солодовников В., Боюн В., Рей У., Личак М., Гонсалес Р., Фу К., Сопронюк Ф.

Зрослі вимоги до систем автоматичного керування в галузі космічних технологій, авіації, комунікацій, промисловості. Вони стали поштовхом до розвитку систем проектування на основі інформаційних комп'ютерних технологій, фундаментом розвитку яких стала теорія алгоритмів, логічні основи процедур обчислень, теорія прийняття рішень, теорія сигналів і систем, які сформувались на основі праць ряду авторів: Шенон К., Галагер Р., Глушков В., Івахненко О., Драган Я., Васільєв В., Грицик В., Попов Б., Вінцюк Т., Вальковський В.

Теорія стохастичних сигналів як основа синтезу алгоритмів опрацювання даних для прийняття рішень розвинена в працях: Папуліса А., Харкевича О., Френкса Л., Яглома А., Омельченка В., Пугачова В., Ван Тріса Г., Бокса Дж., Дженкінса Г. Теорія стохастичних сигналів розвинута працями Драгана Я. в енергетичну теорію (ЕТСС), що відкрило можливість використання новітніх здобутків функціонального аналізу для вивчення моделей сигналів.

Теорії прийняття цільових рішень присвячені праці Райфи Л., Суботіна А., Ченцова А., Гладуна В., Петрова А., Сіроджі І., Цигічка В., Чикрія А., які створили фундамент сучасної теорії синтезу ієрархічних інтелектуальних систем. Основи теорії відбору і робастного опрацювання даних, їх фільтрації, стосовно до розв'язання задач керування, розвинені у працях: Г'юбера П., Кендала М., Тихонова В., Бесекерського В., Небилова А., Фоміна А., Малахова О., Марченка Б., Кунченка Ю., Яворського І., Яцимірського М.

Теорія виявлення лазерних сигналів на фоні завад розвинута в працях Шестова Н., Орлова В., Зуєва В., Росса М., застосування лазерних сигналів в авіаційній техніці, навігаційних системах, розглянуто у працях Дуфнера Р., Зуєва В., Серьогіна В., у лазерній локації -- Устінова В., Матвєєва І., Захарова В., Межеріcа Р., в обчислювальних оптичних системах -- Кожемяко В.

Тому, безперечно актуальним для науки, техніки і виробництва є створення з залученням згаданих досягнень нових інформаційних технологій пошуку концепцій, методів і стратегій синтезу робастних систем автоматичного управління з лазерними контролерами стану технологічних процесів. Актуальність цієї проблеми підтверджується міжнародною програмою MP [CASE&CALS].

Названа науково-технічна проблема синтезу робастних систем керування дає змогу визначити об'єкт, мету і задачі дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Робота виконувалась у рамках планових науково-дослідних робіт та господарських договорів: тема “Дослідження статистичних характеристик інформаційно слабких сигналів і розробка методів і засобів їх вимірювання”, Фізико-механічний інститут АН України, РБ 31/233/ при участі Київського управління ВНПО “Союзавтоматстром” в 1985-1991 р.; тема “Розробка проектно-конструкторської документації лазерного рівнеміра рівня скла в скловарній печі зі збуреною поверхнею”, госп. договори № 1199, № 1850 в 1986-1992 р., Дослідний завод ФМІ НАН України, КСМНУ ВНПО “Союзавтоматстром”; тема “Лазерний стабілізатор рівня базальтової маси в печах для виробництва базальтового волокна”, госп. договір № 341, 1993-1996р. Лабораторія базальтового волокна Інституту матеріалів НАН України, Центр стратегічних досліджень “ЕБТЕС”; тема “Розробка перспективних методів контролю зміщення осі турбін енергоблоків лазерними методами”, пошуково-проектні роботи 1993-1998 р., Центр стратегічних досліджень “ЕБТЕС”, Тец-1 “Західенерго”; тема “Модернізація лазерних рівнемірів для режиму неперервного вібраційного завантаження шихти”, госп. договір № 3/10, 1997-1999р. АТ “Гостомельський склозавод”, Київ, Дослідний завод ФМІ НАН України, Центр стратегічних досліджень “ЕБТЕС”; тема “Дослідження та розроблення високоефективних методів і алгоритмів відбору, обробки та збереження інформаційних параметрів з метою аналізу, оцінки та прогнозування складних явищ, процесів, об'єктів і управління” 2000-2002р., Держ. наук.-досл. інститут інформ. інфраструктури НАН України.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розроблення інформаційних технологій синтезу структур керуючих систем з лазерними спостерігачами, включаючи алгоритми формування інформації про стан об'єкта шляхом опрацювання лазерного сигналу, а також синтез робастних стратегій управління технологічними процесами за умов дії сильних збурень, обмежень на інформаційні, матеріальні та енергетичні ресурси, на основі енергетично-ресурсної концепції.

Досягнення мети здійснюється шляхом:

розроблення інформаційно-ресурсної концепції та відповідних методів синтезу моделей структури і аналізу динаміки об'єкта керування;

обґрунтування інформаційних технологій забезпечення робастності стратегій автоматичного управління і відповідних їм алгоритмів опрацювання даних для прийняття керуючих рішень в умовах дії сильних завад і збурень при апріорній невизначеності їх поточних імовірнісних характеристик;

синтез процедур розв'язання цільових задач автоматизації, які забезпечують робастність технологічних систем управління з використанням лазерних спостерігачів їхнього стану;

розроблення і обґрунтування логічно-інформаційної структури робастних лазерних спостерігачів траєкторії стану технологічних систем з високотемпературним внутрішнім середовищем.

Наукова новизна роботи. В роботі на основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень структури і динаміки технологічних процесів розв'язано нову науково-технічну проблему: створення інформаційних технологій аналізу і синтезу робастних автоматичних систем керування стохастичними технологічними процесами, збурений стан яких оцінюється спостерігачами, що використовують лазерне зондування для відбору даних про нього.

При цьому отримано такі нові наукові результати:

сформульовано і обргрунтовано ресурсно-енергетичну концепцію для характеристик процесів, трактованих як енергетичні величини, та ресурсних величин іншої природи, які є адитивними з законами збереження балансу, на відміну від класичних -- амплітудних, що зумовило використання нового понятійного та аналітичного апарату і стало основою розвинутих в роботі інформаційних технологій опису класів моделей сигналів про стан досліджуваних систем;

вперше розроблено методи синтезу робастних систем керування на підставі введеного поняття цільового простору і цілеспрямованої структури, яким дані строгі означення в рамках цих інформаційних технологій;

обгрунтовано методику синтезу робастних класів моделей стратегій прийняття рішень і вперше показано, що поняття моделі цілі, цільового простору, стратегії досягнення цілі є базовими в процедурах синтезу процесорів, які реалізують стратегії прийняття цільових рішень;

обгрунтовано математичну і логічну структури моделей поведінки системи в просторі цілей для кризових ситуацій в технологічній системі при дії завад і показано, що запропонована методологія розвиває класичну теорію управління і прийняття рішень є об'єднуючою для різних предметних областей класичної теорії автоматичного регулювання;

розширено і обгрунтовано поняття стратегії як засобу реалізації процедури розв'язання цільової задачі управління;

на основі процедури декомпозиції простору станів та фазового простору об'єкта управління, розроблено та обгрунтовано методи та алгоритми синтезу структури і динаміки систем управління технологічними процесами, для спостереження за станом яких використовують лазерні інформаційно-вимірювальні пристрої;

розроблено та обгрунтовано цілісну структуру лазерної інформаційно-ресурсної ієрархічної системи управління, а також синтезовано класи стратегій прийняття рішень в технологічних системах при дії сильних збурень і завад в умовах обмеження наявних ресурсів при апріорній невизначеності їх параметрів.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені інформаційні технології синтезу структури і динаміки систем автоматичного управління технологічними процесами з високо-температурним та агресивним середовищем, стан яких визначається за допомогою лазерних інформаційно-вимірювальних перетворювачів, дали можливість створити засоби:

для дистанційного контролю зміщення рівня скломаси зі стохастичною структурою поверхні в скловарній печі;

для дистанційного контролю зміщення і вібрації осі турбіни енергоблоків електростанцій.

Використані моделі сигналів дали змогу розробити:

алгоритми опрацювання отриманих даних для управління технологічним процесом в умовах дії збурень і завад;

підвищити точність підтримання заданих параметрів режимів технологічних процесів, що зумовило покращення якості продукції, економії матеріальних і енергетичних ресурсів, росту продуктивності.

Реалізація і впровадження результатів роботи. На основі розроблених методів створені і захищені патентами України:

лазерні контролери зміщення і вібрації осі турбіни енергоблоків електростанцій з точністю відбору даних мм,

лазерні контролери параметрів технологічного середовища і прозорості скла з цифровим відбором даних у межах ,

процесори опрацювання лазерних сигналів, координатні фотоприймачі для приймання і виділення лазерних сигналів на фоні оптичних і електричних завад, аналогові процесори оцінювання параметрів траєкторії стану, просторові дискримінатори положення променя,

лазерні (газові і напівпровідникові) випромінювачі підвищеної надійності як генератори зондуючих сигналів,

стохастичні процесори прийняття рішень з робастними властивостями для автоматичного керування технологічними процесами.

Теоретичні і практичні результати дисертації використано для модернізації систем керування процесом скловаріння у скловарних печах АТ “Гостомельський склозавод”, “Бучанський склозавод”, “Житомирський експериментальний завод медичного скла”, Рокитнянському та Костопільському склозаводах, АТ “Львівський мехсклозавод”; у навчальному процесі Української академії друкарства при підготовці магістрів за напрямком “Комп'ютерно-інтегровані технології” для спеціальності 6.0910 “Електронні апарати”.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати та положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на міжнародних, всесоюзних, республіканських та галузевих науково-технічних конференціях та школах-семінарах, а саме: Всесоюзн. наук.-техн. конф. “Лазерні засоби в науці і техніці” (Київ, 1985); Наук. конф. “Статистичні методи, теорія і перетворення інформаційних сигналів” (Київ, 1985); “Автоматизація процесів виробництва будівельних матеріалів” (Київ, 1986); Всесоюз. шк.-семінар. “Системологія. Міждисциплінарні дослідження і проектування складних систем” (Львів, 1988-1990); Республ. конф. “Підвищення ефективності і якості процесів і апаратів хімічних виробництв” (Львів, 1988); наук. семінарах “Стохастичні вимірювальні системи і сигнали” (Львів, 1985); “Однорідні обчислювальні середовища і структури” (Львів, 1989); “Автоматизація в склоробній промисловості” (Київ, 1990); “Використання математичних методів і ЕОМ в задачах екології” (Львів, 1990); “Кібернетика і моделювання систем зі змінною структурою, які розвиваються” (Славськ, 1990); Всесоюз. наук. конф. “Методи зображення і опрацювання випадкових процесів і полів” (Харків, 1991); Міжнар. конф. “Інформаційні технології в аналізі зображень і розпізнаванні образів ITIAPR-90” (Львів, 1990); Всеукраїнській наук. конф. “Автоматика”, (Київ 1994, 1998; Львів 1995, Черкаси 1997); Міжнар. конф. з оброблення сигналів і зображень та розпізнавання образів “УкрОБРАЗ-94” (Київ, 1994); “UKROBRAZ-96” (Київ, 1996); Міжнар. конф. “Теорія і техніка передачі, прийому і опрацювання інформації” (Туапсе, 1995-1999); Міжнар. конф. “Розпізнавання образів і аналіз зображень. Нові інформаційні технології” (Ульянівськ 1995); Міжнар. конф. “Computer Technology-94” (Львів, 1994); Міжнар. конф. “Застосування лазерів в біології і медицині” (Київ, 1995); Міжнар. наук.-тех. конф. “Розробка та застосування математичних методів в науково-технічних дослідженнях” (Львів, 1995); Міжнар. наук.-тех. конф. “ОС-95” “Сучасні методи обробки сигналів у системах вимірювання, контролю, діагностики управління” (Мінськ, 1995); Міжнар. конф. “Комп'ютерні технології друкарства: алгоритми, сигнали, системи” (Львів, 1996); Міжнар. конф. “Розробка та застосування математичних методів у науково-технічних дослідженнях” (Львів, 1996); Міжнар. конф. “Signal analysis and prediction” (Eurasip, Прага, 1997); Міжнар. конф. “Pattern recognition and information processing” (Мінськ, 1997, 1999), Міжнар. конф. “TCSTN'2000” (Славсько, 2000); Міжнар. конф. “Автоматика-2000”, (Львів 2000); Всеукраїнській наук.конф. “Комп'ютерні технології друкарства” (Львів, 2000).

Публікації. Основні результати дисертації відображені в 37 опублікованих наукових працях, в тому числі 5 монографій, 20 статей в наукових журналах та збірниках наукових праць, 2 патенти України, 10 статей у збірниках наукових праць конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів, висновків та додатків. Робота викладена на 543 сторінках і містить 268 сторінок основного тексту, 113 рисунків, список літератури із 411 найменувань.

робастний управління лазерний

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано її мету і задачі, які необхідно розв'язати, подано короткі анотації розділів дисертації.

У першому розділі схарактеризовано стан досліджень в області аналізу і синтезу робастних систем управління у високотехнологічних галузях виробництва (авіація, енергетика), показано, що використовувані методи класичного синтезу не дають змоги розв'язати проблему забезпечення стійкості при сильних (грубих) збуреннях інформаційної та енергетичної структури об'єкта керування. Показано також, що класичні методи моделювання систем управління на основі використання диференціальних рівнянь для опису їх динаміки не є в функціональному та структурному сенсі повними, тому що вони не відображають інформаційну і енергетичну структуру технологічного об'єкта.

Обґрунтовано положення про те, що апріорна невизначеність поточних динамічних ситуацій, при протіканні технологічних процесів, вимагає для свого розв'язання побудови процедур формування стратегій прийняття цілеспрямованих рішень і що ці процедури ґрунтуються на робастних алгоритмах виявлення та опрацювання сигналів, які є переносниками відомостей про стан об'єкта, побудови образів ситуацій та їх класифікації на основі перевірки статистичних гіпотез про положення системи в цільовому просторі.

У другому розділі на основі аналізу концепцій синтезу (спектрального і в просторі станів) обґрунтовано доцільність використання критеріїв структурної стійкості і грубості динамічних систем в сенсі Ляпунова, Андронова, Пуанкаре, а також -- положення про недостатність цього апарату і критеріїв Ляпунова для випадку синтезу робастних систем.

Показано, що умови першої теореми Ляпунова виконуються при існуванні джерел енергії, які забезпечують керуючі дії незалежно від потужності збурень, а ця обставина вимагає моментальної оцінки ситуації при відхиленні траєкторії від стану рівноваги.

Для системи управління з лазерними спостерігачами пряме управління неможливе в наслідок неоднозначності у визначенні як моментів зміни стану об'єкта (рис.1), так і отриманих даних з допомогою лазерного зондування, необхідних при формуванні команд процесором прийняття автоматичних рішень для керування потоками ресурсів.

Як приклад розбалансування параметра стану об'єкта на рис.2 в часовій сітковій системі координат показано зміну режиму керування під впливом дії збурень на протязі доби. Траєкторія стану має стохастичну поліритмічну структуру пов'язану з добовою ритмікою, що відображає динамічні зміни рівня збуреної поверхні в реакторі скловарної печі, який є об'єктом керування технологічної системи.

Траєкторія зміни рівня розплавленої скломаси відображає розбалансування потоків ресурсів в реакторі при дії збурень як на канали подачі матеріальних і енергетичних ресурсів, так і на його термодинамічний режим. Відбір даних про рівень поверхні зі стохастичною структурою, яка формується під впливом зміни параметрів збуреного технологічного середовища (тиск, температура, аеро- та термодинаміка вихрових потоків) відбувається у зоні контролю об'єкта з використанням лазерного зондування. Часова і просторово-енергетична структура зондуючого і відбитого лазерних променів модулюється при взаємодії зі стохастичною поверхнею змінного рівня, а це відображає нестаціонарний характер параметрів відбитого сигналу і зумовлює розмитість оцінок траєкторії рівня в поточному часі у каналі контролю системи керування технологічним процесом. Це призводить до необхідності доповнення класичної концепції управління, а також розроблення процедур синтезу систем автоматичного керування з від'ємним зворотнім зв'язком, способів забезпечення їх стійкості і робастності.

Введення енергетичних класів випадкових процесів (з обмеженою енергією чи середньою потужністю) виявило енергетичну сторону проблеми забезпечення стійкості в сенсі Ляпунова. Траєкторії розбалансу потоків ресурсів описуються засобами енергетичної теорії, а їх імовірнісні характеристики будуть тоді ізоморфні структурі і стратегії поведінки системи в залежності від завадової ситуації, що характеризується розбиттям де маємо: DS -- цілеорієнтована динамічна система, P -- потужність збурення, Pu -- потужність дій керування, - символ дезюнктивного об'єднання.

Класичний опис динаміки поведінки системи відображає стратегію компенсації збурень і, відповідно, неявно -- структуру системи автоматичного управління з від'ємним зворотнім зв'язком. Тоді процедура синтезу системи керування в класичній формі полягає в знаходженні компенсуючого оператора, який не відображає логічну структуру процесу прийняття рішень на компенсацію збурень:

де -- компенсуючий оператор,

-- оператор керованої системи,

-- цільовий стан,

-- управляюча дія,

-- оператор керування.

З інформаційно-енергетичного аналізу першої теореми Ляпунова випливає, що для забезпечення стійкості системи при дії збурень необхідно виконати миттєву ідентифікацію траєкторії стану, а друга теорема про асимптотичну стійкість при її аналізі в сенсі процедури прийняття управлінських рішень, вказує на необхідність резерву термінального часу, за який система переходить у стан рівноваги після дії сильних збурень і викидів. З позиції інформаційно-ресурсного трактування управління, функція Ляпунова визначає енергетичні затрати, необхідні для переведення системи зі збуреного стану в задану область нормального функціонування з певним ступенем ризику не попасти в неї при сильних викидах.

У третьому розділі обгрунтовано концепцію лазерного спостерігача динамічного стану об'єкта управління на основі інтелектуалізації системи зворотного зв'язку з використанням інформаційних технологій для робастного опрацювання даних і формування відповідних поточних образів ситуацій та їх класифікації відносно цільової області в просторі станів. Введення концепції інтелектуалізації зворотного зв'язку і застосування енергетичної теорії розпізнавання образів обгрунтовує алгоритми опрацювання лазерних сигналів з точки зору відбору інформації про стан об'єкта на основі енергетичної міри при оцінюванні відхилення траєкторії системи відносно еталонної (цільової). Класифікація цих відхилень при дії збурень та оцінка їх імовірності покладена в основу перевірки статистичних гіпотез про дійсний стан об'єкта в умовах дії сильних завад. Для побудови (синтезу) лазерних інформаційно-вимірювальних систем (ЛІВС) проведено дослідження та верифіковано моделі структури технологічного процесу скловаріння і моделі просторово-енергетичних перетворень у зоні локації стану об'єкта. При цьому враховано стохастичний характер: поверхні скломаси, оптичних сигналів, каналів впливу завад. Обгрунтовано синтез алгоритму відбору інформації про стан технологічного процесу як послідовності інформаційних процедур в просторово-енергетичних перетвореннях, які відображають модуляцію лазерного променя для забезпечення його інформаційної стійкості. Опрацьовані сигнали в подальшому використовуються для формування образів динамічних ситуацій в цільовому просторі САУ-ТП (системи автоматичного управління технологічними процесами), а оцінки їх параметрів і ймовірнісних характеристик є інформаційною базою в процедурах прийняття керуючих рішень, що забезпечують досягнення мети.

Запропоновані алгоритми опрацювання визначають модель декомпозиції процесу спостереження при реалізації процедури синтезу структури лазерного спостерігача стану технологічного процесу. Показано, що система спостереження, синтезована з використанням методу лазерного зондування, є інтелектуальною структурою, яка виконує такі функції: зондує стан технологічної структури в реальному часі, видає дані про поточну траєкторію, спотворену завадами; оцінює параметри траєкторії стану відносно стану рівноваги на основі робастних статистик, формує та класифікує образ поточної ситуації в цільовому просторі системи керування.

Образ динамічної ситуації, ідентифікований відносно стану збуреного технологічного процесу, визначає інформацію про енергетичне положення траєкторії розбалансу ресурсів і вказує напрям вибору керуючих дій згідно з необхідним напрямком руху до цільової області в просторі станів об'єкта керування. Стохастичне рівняння динаміки на інтервалі спостереження при n каналах передачі ресурсів має вигляд:

,

де - слід траєкторії розбалансу відносно стану рівноваги на інтервалі спостереження , - задана характеристика ходу технологічного процесу, - швидкості обміну потоками ресурсів в реакторі об'єкта керування.

У випадку, коли визначальним параметром управління режимом реактора об'єкта є рівень ресурсів, модель рівняння розбалансу потоків ресурсів має вигляд



,

де - відхилення рівня, - швидкість потоку ресурсів, які поступають в реактор, - швидкість відбору продукції, - збурення потоків ресурсів, - режими управління, - масштабний об'ємний коефіцієнт.

Лазерна технологія використовує для відбору даних певну область поверхні фазового стану об'єкта керування в зоні локації, що вимагає при формуванні інформаційного образу ситуації враховувати статистичні характеристики траєкторії, яка характеризується стохастичною поліритмічною структурою, модель такої поліритмічної структури має вид:

,

де - масштабний коефіцієнт, - оператор формівного фільтра каналу передачі збурення, - породжуючий процес.

При ритмічному збуренні поверхні її стохастична модель, а отже й модель відбитого сигналу є періодично корельованим випадковим процесом

,

де , - період ритму- період корельованості процесу, - зчисленно вимірний стаціонарний випадковий процес. Тоді оцінка середнього профілю хвилі на поверхні розплавленої скломаси в зоні локації

а середнє цього профілю в зоні контролю

,

де - енергія хвилі усереднена за період. При накладанні декількох ритмів процес буде поліритмічним і періодом його буде квазіперіод (в сенсі теорії майже періодичних функцій).

Стратегія досягнення мети визначає процедуру побудови дерева рішень на основі вибраного способу класифікації ситуацій у цільовому просторі станів системи керування. Спосіб класифікації ситуації визначає дискримінантну функцію розбиття на класи (кластери, області) цільового простору з урахуванням граничних і аварійних режимів функціонування об'єкта керування в технологічній системі.

Дискримінантні функції задаються параметрично у вигляді набору ліній розділу цільового простору відносно осей параметра стану і часу на множині

де - впорядкована послідовність інтервалів параметру стану об'єкта, -- інтервал циклічного термінального часу.

Тоді ситуація в системі керування визначається проекцією



,

де - простір станів системи відносно параметра , - лінії граничних режимів, - проекція траєкторії відносно ліній граничних режимів у просторі станів. Розбиття на класи простору станів задається у вигляді прямого добутку інтервалів стану і термінального часу:

,

а ситуація визначається як попадання траєкторії в певну область цільового простору системи керування

.

Для цього введена процедура впорядкування параметру стану на основі рангових порядкових статистик. Величина визначає інтервал часу, який є достатнім для оцінки ситуації і прийняття рішень. Розбиття інтервалу стану пов'язано з функціями точності, ризику, правдоподібності та системою базисних функцій приналежності Заде та функцій впливу Г'юбера.

У четвертому розділі описано розроблену методику синтезу систем автоматичного управління технологічними процесами (САУ-ТП) з лазерним зондуванням об'єкта керування. Вона грунтується на пошуку відповідності між елементами структури системи і їх функціонально-цільовими властивостями, що є компонентами стратегії розв'язання цільових задач з визначеними критеріями якості, які враховують апріорні відомості про технологічні об'єкти. На верхньому рівні інтелектуальної ієрархії процедура синтезу САУ-ТП реалізується через концептуальну базу знань, сформовану на основі попередніх досліджень і результатів вивчення проблеми. Наступним кроком розв'язання проблеми синтезу САУ-ТП є розроблення методології забезпечення робастних властивостей стратегій управління і спостереження за станом технологічного процесу, що грунтується на енергетичному та інформаційному узгодженні параметрів САУ-ТП і стратегій спостереження, управління в умовах дії сильних збурень і завад. Стабільність функціонування технологічної системи і забезпечення стійкості процесів при дії збурень різної фізичної природи грунтується на використанні робастних процедур прийняття рішень і розпізнавання образів динамічних ситуацій, рангових та інтервальних робастних статистик для синтезу алгоритмів опрацювання даних про поточний стан технологічного процесу. Ці умови забезпечуються при енергетичному узгодженні сигналів зондування і параметрів стану відносно алгоритмів відбору даних; оптимізації структури зондуючих сигналів і їх завадостійкості відносно класів можливих технологічних збурень; використанні робастних алгоритмів формування образів динамічних ситуацій в цільовому просторі системи управління і процедурах їх ефективної класифікації.

Процес синтезу САУ-ТП включає такі рівні ієрархії розв'язання задачі автоматичного керування в умовах дії збурень: побудова моделі фізико-хімічних перетворень у технологічній структурі; верифікація та ідентифікація структури об'єкта, динаміки технологічного процесу, джерел збурень і завад.

Результатом реалізації стратегії управління в рамках створеної процедури розв'язання проблемної задачі є забезпечення гарантованого успіху при мінімумі витрат на виконання керуючих дій над потоками енергетичних та матеріальних ресурсів. Лазерне зондування параметру стану виконує проекційне перетворення інтервалу допустимих станів, де кожному значенню параметра відповідає точкова оцінка з допуском при мінімальному рівні шумів у каналах спостерігача, а при дії збурень змінюється структура динамічних процесів, точкові оцінки розмиваються і стають інтервальними. Інтервал значень параметра стану, при якому САУ-ТП перебуває в заданому режимі, визначається з умови мінімуму ризику і максимуму функції Ляпунова як проекція аргументу функції ризику на інтервал допустимих станів:

,

де - цільова область, - інтервал нормального режиму.

Введення функції ризику і її декомпозиція в цільовому просторі системи управління відносно робочої і аварійної зони є підставою формування процедури ранжування класів САУ-ТП і стратегій керування, якщо вибрано клас стратегії досягнення цілі, що зумовлює вибір структури системи керування технологічним процесом з робастними властивостями. Просторово-часова структура цільового простору системи управління має відповідне розбиття на множини класів динамічних ситуацій і визначає базис графів дерева рішень.

У п'ятому розділі наведено результати застосування інформаційно-ресурсної концепції аналізу існуючих і синтезу нових структур керування. Розвинено системний та інформаційно-ресурсний підхід до формулювання задач управління; вибору стратегій ров'язання ситуаційних задач; синтезу структур процесорів для реалізації стратегій, їх оптимізації і адаптації при дії збурень.

Інформаційно-ресурсний метод синтезу САУ-ТП використовує стратегію утримання балансу матеріальних і енергетичних ресурсів при виконанні умови їх достатності для компенсації діючих збурень, виходячи з робастної оцінки параметра стану об'єкта управління технологічної системи. Процедура вибору моделі структури САУ-ТП як способу розв'язання кризової ситуації, наведена на рис.5.

Інформаційне оцінювання розбалансування потоків ресурсів і процедура прийняття керуючих рішень грунтується на порівнянні поточної збуреної та еталонної траєкторій, ранжуванні їх статистичних параметрів. Введення процедури розбиття на класи інтервалу параметра стану і термінального циклу керування використано для методу синтезу алгоритмів перевірки гіпотез про поведінку параметрів траєкторії в цільовому просторі системи. Класифікація і прийняття рішень виконується виходячи з динамічних ситуацій, які склались при дії збурень, з урахуванням достатності ресурсів для утримання системи в цільовій області з допустимим ступенем ризику виходу її в аварійну зону. Розглянута раніше процедура декомпозиції фазового і цільового просторів є основою синтезу стратегій керування, відповідних їм структур процесорів, які реалізують спосіб компенсації відхилень траєкторії, виниклих при дії збурень. Для розв'язування задачі керування технологічним процесом при використанні стратегій гарантованого досягнення цілі синтезовані стохастичні процесори управління, а для формування алгоритмів прийняття рішень використовуються рангові інтервальні статистики, обгрунтована процедура синтезу їх структури і вибору параметрів згідно з моделлю цільового простору, розроблена концептуальна модель системи управління технологічною системою з урахуванням зумовлених поліритмічністю сигналів особливостей відбору інформації про стан технологічного процесу лазерною інформаційно-вимірювальною системою.

У шостому розділі описано методи і розроблені системно-ресурсні концепції синтезу робастних стратегій ситуаційного керування технологічними процесами при дії завад в умовах існуючих обмежень на матеріально-енергетичні ресурси. Розв'язання проблеми компромісу між забезпеченням стійкості і грубості до завад, з одного боку, і точністю, робастністю, надійністю з гарантованим результатом цільового функціонування та забезпечення мінімуму ризику аварійної ситуації при дії завад, з другого боку, грунтується на робастних стратегіях розв'язання проблемних ситуаційних задач управління в умовах технологічної кризи у виробничих структурах.

Синтез стратегій управління технологічними системами грунтується на раніше наведених процедурах побудови стохастичної моделі об'єкта регулювання в структурі технологічного процесу, розробленні критеріїв і методів оцінювання її параметрів, використовуючи нові засоби контролю на основі лазерних технологій.

При виробленні концепції синтезу стратегії і структури САУ-ТП (рис.5) враховано ієрархію розділення проблеми робастності на:

робастність каналу спостереження розглядається як властивість мінімальної реакції лазерної інформаційно-контрольної системи на грубі викиди технологічних і електромагнітних імпульсних завад, наслідком яких є мінімальне зміщення оцінки параметра стану і мінімум ризику прийняти неправильне рішення;

робастність стратегій керування забезпечує максимум гарантій досягнення мети при дії збурень, тобто система повертається у зону нормального функціонування;

робастність системи керування забезпечує мінімальний ризик попадання в аварійну ситуацію САУ-ТП при дезорієнтації процесора прийняття керуючих рішень дією грубих завад.

З точки зору забезпечення робастності, класична структура системи автоматичного управління вимагає модифікації шляхом введення цілеорієнтуючої структури. Цілеорієнтована модифікація структури грунтується на основі введеного поняття цільового простору і процедури декомпозиції фазового простору та функції ризику. Синтез стратегій робастного спостереження стану об'єкта (зондування, виявлення, опрацювання лазерних сигналів) та стратегій управління виконано з урахуванням енергетичних властивостей функцій Ляпунова і Белмана.

Для синтезу алгоритмів опрацювання даних використано сучасні методи і процедури точкового й інтервального оцінювання і робастні процедури формування статистик на термінальних інтервалах часу спостереження. Використані також положення енергетичної теорії сигналів, що дало змогу провести інформаційно-енергетичне узгодження елементів, вузлів і блоків каналів спостереження і керування, що підвищило їх функціональну стійкість до дії збурень. Результати спостереження є базою даних для формування образів ситуацій, а теоретичною основою комплексного синтезу стратегій спостереження є енергетична теорія сигналів і розпізнавання образів ситуацій з енергетичним критерієм у цільовому просторі системи управління технологічним процесом.

Стратегія управління Strat(U₁С_і) для досягнення системою цільового стану синтезується з урахуванням можливих ситуацій, які створюються в процесі дії завад на об'єкт та систему спостереження, що формує образ динамічної ситуації і проектує його в цільовий простір системи керування. Стратегія досягнення цілі згідно з ситуацією визначає конус допустимих траєкторій руху до цілі з області, в якій система знаходиться в момент прийняття рішень. На основі інформаційної оцінки динамічної ситуації, яка склалася під дією цілеорієнтованих керуючих дій і збурення, формуються команди, які за допомогою виконавчих механізмів (що керують енергетичними ресурсами) виводять систему в цільову область і забезпечують нормальний режим функціонування технологічного процесу.

Команди управління реалізуються при умові перебування траєкторії в конусі допустимих напрямків руху до цілі, а при дії збурень оцінюється ризик виходу за межі області і час перебування в ній. Формування команд управління відбувається згідно з процедурою перевірки статистичних гіпотез відповідно до класифікації динамічних ситуацій, які описуються в термінальній предикатній формі.

На основі запропонованої процедури розбиття фазового і цільового просторів проведено оцінювання ризику можливих ситуацій з використанням енергетичної теорії сигналів та розпізнавання образів. Функції Ляпунова використовуються як енергетичні міри відхилення траєкторії стану, а їх граничні значення визначають мінімальну величину потужності джерел збурень, необхідну для гарантованого забезпечення процесу керування (див. рис.3).

Сучасні моделі періодично-корельованих випадкових процесів і споріднених з ними випадкових процесів, описаних в рамках енергетичної теорії сигналів, є основою виділення класів ситуацій, які є базовими в процедурах класифікації і прийняття рішень і підставою декомпозиції фазового простору та формування фазового портрету можливих динамічних ситуацій при дії збурень.

У сьомому розділі наведено результати розв'язання проблеми забезпечення робастності системи управління технологічними процесами при дії збурень як на структуру технологічного процесу, так і на лазерний спостерігач динамічного стану технологічного середовища. Для розв'язання задачі синтезу САУ-ТП розвинена і доповнена в сенсі енергетичної концепції розпізнавання і виявлення сигналів теорія робастних систем (грубих до збурень).

На основі проведення промислових досліджень і використання інформаційних технологій та енергетичної теорії сигналів, як адекватного опису динаміки об'єкта управління, розроблено методику синтезу робастних лазерних спостерігачів для відбору і опрацювання даних про стан складних технологічних об'єктів. Зокрема, для забезпечення коректного оцінювання параметрів стану технологічного процесу скловаріння з високотемпературним середовищем 15001800⁰C розроблено лазерну систему контролю рівня поверхні скломаси в скловарній печі. Обгрунтовано методику синтезу структури робастного лазерного спостерігача і проведено аналіз динаміки при дії сильних збурень як на технологічний процес, так і на канал вимірювання. На рис.7 наведена структурна схема лазерного стабілізатора рівня розплавленої скломаси у скловарній печі. Схема стабілізатора має два рівні ієрархічної структури: енергетично-ресурсний та інформаційний. Енергетично-ресурсний рівень структури містить: M[TS] - технологічний об'єкт із джерелом ресурсів IR, споживачем ресурсів PR, накоплювачем ресурсів NR, виконавчим механізмом BM та джерелами збурень IVF_i. Динаміка потоків ресурсів визначається параметрами станів . Інформаційний рівень структури містить: ІЗС - джерело зондуючого сигналу, БОСіУ - блок опрацювання сигналу та управління. До випромінювача лазерного сигналу входять наступні елементи: IR_i - джерело енергії, БЗЛ - блок захисту лазера від збурень, БЖЛ - блок живлення лазера. Параметри лазерного випромінювача: - вектор напрямку зондування, - потужність лазера, - діаметр променя, - частота модуляції. Блок опрацювання сигналу який переносить відомості про стан об'єкта, складається з таких блоків: БВФ - блок вхідних фільтрів, - процесор оцінки зміщення рівня та інтенсивності сигналу, - ранговий процесор оцінки ситуації, ППСГ - процесор перевірки статистичних гіпотез, у формувач команд управління відповідно до технологічної ситуації в системі.

Проведене імітаційне, лабораторне моделювання та виробниче випробування такої системи підтвердило ефективність розроблених концепцій та створеної апаратури на їх основі.

В розділі наведено відомості про створені на підставі розробленого методу синтезу технічні системи, що використовують концептуальні структури цілеспрямованої системи і лазерного спостерігача.

У додатку наведено акти впровадження, копії патентів, рисунки й ілюстрації та додаткові пояснення до основного тексту дисертації, результати гібридного (апаратно-комп'ютерного) моделювання динаміки робастної системи автоматичного управління при дії збурень.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

В дисертації розв'язана науково-технічна проблема -- створення інформаційних технологій синтезу робастних систем автоматичного керування з лазерними спостерігачами стану технологічних процесів, що полягають в застосуванні інформаційно-ресурсної концепції до синтезу робастних стратегій керування, які забезпечують стійкість керування цими системами при дії збурень різної фізичної природи за умов наявних обмежень на ресурси. При цьому отримано такі наукові результати:

Сформульовано як підсумок наукових та експериментально-виробничих досліджень енергетичну інформаційно-ресурсну концепцію, яка характеристиками процесів покладає адитивні фізичні величини з законами збереження, що забезпечує застосування нових логіко-аналітичних засобів. Зокрема, означення понять цільового простору системи та його розбиття для формалізації процедур вироблення робастних стратегій керування і розв'язання всіх ситуаційних задач за умов дії сильних збурень на технологічну та керуючі структури, що стало основою методів синтезу робастних автоматичних систем.

Установлено достатність для розв'язання науково-технічної проблеми автоматизації керування об'єктами при дії сильних збурень і агресивності технологічного середовища поєднання класичної теорії систем та інформаційно-ресурсної концепції, яка визначила новий апарат -- квадратну метрику стохастичних моделей траєкторій стану в цільовому просторі системи та інтелектуалізацію системи зворотнього зв'язку, реалізовану на базі синтезованих робастних структур.

Розроблено методи синтезу робастних систем керування і показано, що вони зумовили зміну способу керування, тобто переходу від стратегії компенсації відхилень до стратегії прийняття цільових рішень на основі оцінювання образів динамічної ситуації та їх енергетичної класифікації в цільовому просторі.

Введено поняття цільового простору, цілеформуючої і цілевиконуючих систем, які є адекватні для формулювання задачі синтезу робастних систем управління та створення способів їх розв'язання.

Обгрунтовано використання нових моделей сигналів у вигляді випадкових процесів з енергетичних класів, зокрема, періодично корельованих і споріднених з ними полі- і майже періодично корельованих, для синтезу робастних алгоритмів опрацювання сигналів лазерного зондування з метою отримання коректних даних про динаміку досліджуваних технологічних об'єктів і формування образів динамічних ситуацій в цільовому просторі системи керування, їх робастної класифікації.

Розроблено математичні, програмні, алгоритмічні засоби синтезу стійких робастних стратегій прийняття рішень на підставі інформаційно-ресурсної концепції і модифікації другої теореми Ляпунова про асимптотичну стійкість та апаратні засоби для їх реалізацій.

Розроблено методи аналізу і синтезу інформаційно-вимірювальних лазерних систем і структур управління з використанням теорії стохастичних сигналів і теорії систем зі стохастичною структурою, які забезпечили наукове обгрунтування процедур розв'язання задач проектування технологічних керуючих систем з лазерними спостерігачами.

На основі розроблення інформаційних технологій синтезовано та технічно реалізовано такі автоматичні системи управління та їх елементи:

лазерні системи стабілізації рівня розплавленої скломаси в скловарних печах, які забезпечують точність підтримки рівня в діапазоні (0,0050,5)мм (патент України);

лазерні контролери зміщення і вібрації осі турбін енергоблоків в діапазоні (0,00510)мм (патент України);

лазерні контролери мутності (прозорості) середовищ технологічних об'єктів і скла;

блоки захисту апаратури та спеціалізованих промислових комп'ютерів від грубих викидів напруги мережі живлення.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Сікора Л.С. Лазерні інформаційно-вимірювальні системи для управління технологічними процесами. Ч.1. - Львів: Каменяр, 1998. - 445 c.

Сікора Л. Системологія прийняття рішень на управління в складних технологічних структурах. Ч.II. - Львів: Каменяр, 1998.- 453c.

Драган Я., Сікора Л., Яворський Б. Основи сучасної теорії стохастичних сигналів: Енергетична концепція, математичний апарат, фізичне тлумачення. - Львів: ЦСД “ЕБТЕС”, 1999. - 160 c.

Сікора Л.С. Інформаційно-ресурсна концепція ідентифікації і синтезу робастних систем управління. - Львів: ЦСД-ЦНТІ, 1999.-372c.

Гирнык Н.Л., Канивець Г.Е., Сикора Л.С., Садовский Ю.А., Сафаров Р.М. Стохастическая динамика управляемых экотехнических систем. - М.: НПО “Информация”, 1991. - 330 c.

Сікора Л.С. Прогноз образів граничних динамічних ситуацій і сценарії їх розвитку в системах управління //Комп'ютерні технології друкарства: Збірник наук. праць. - №3. - Львів: УАД, 1999.- С.183-200.

Драган Я., Сікора Л. Поліритміка в системах автоматичного управління та структура їх стохастичних моделей //Автоматика-2000: Збірник наук.праць. - Т.7. - Львів: ДНДІІІ, 2000.- С.172-178.

Драган Я., Євтух П., Сікора Л., Яворський Б. Поліперіодично корельовані випадкові процеси як адекватні моделі сигналів кратної ритміки природних явищ і технологічних процесів //Комп'ютерні технології друкарства: Збірник наук. праць. - №4.-Львів:УАД, 2000. - С.269-290.

Сікора Л., Лип Р. Деякі підходи до побудови автоматичного збору даних про хід технологічних процесів в реальному часі //Комп'ютерні технології друкарства. Збірник наук. праць. - №5.-Львів:УАД, 2000. - С.379-387.

Драган Я., Сікора Л., Яворський Б. Шенонова міра інформації та теорія сигналів //Вісник Держ. ун-ту “Львівська політехніка”: “Радіоелектроніка та телекомунікації”. - №387. - Львів, 2000.- С.21-30.

Драган Я.П., Сікора Л.С., Яворський Б.І. Системно-сигнальна концепція і моделі квантової теорії //Вісник Держ. ун-ту “Львівська політехніка”: “Фізика”. - Львів, 1999. - С. 56-57.

Сікора Л.С. Ігрові і системні моделі розв'язку конфліктних ситуацій в технологічних структурах //Вісник Держ. ун-ту “Львівська політехніка”: - Львів, 1998. - № 337. - С. 187-189.

Драган Я.П, Сікора Л.С., Чорна Л.Б., Яворський Б. І. Енергетична теорія - логічна підстава виокремлення класів стохастичних сигналів та специфікації алгоритмів їх опрацювання //Вісник Тернопільського держ. техн. ун-ту. - 1998. - Т. 3. - №1. - С. 71-79.

Драган Я., Сікора Л., Яворський Б. Енергетична теорія як підстава специфікації, а її доповненя в сенсі Неваліни - реалізацій алгоритмів опрацювання стохастичних сигналів //Комп'ютерні технології друкарства: Збірник наук. праць. - Львів: УАД, 1998. - С. 99-101.

Драган Я.П., Сикора Л.С., Яворский Б.И. Специфика информативности стохастических моделей ритмики периодически коррелированых и родственных им случайных процесов //Проблемы управления и информатики. - 1997. - № 6. - С. 96-109.

Dragan Ya.P., Sikora L.S. Formation and recognition of patterns of dynamic situations in the goal speace of controlling and monitoring systems // Рattern Recognition and Image Analysis. Advances in Mathematical Theory and Application. - V. 6. - Moskow: Іnterperiodica publishing, 1996. - P. 251-252.