Удосконалення моделей та методів аналізу і синтезу систем логічно-динамічного управління складними рухомими об'єктами

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі, пов'язаної з розробкою нових та удосконалення існуючих методів створення, моделювання, синтезу простого, універсального та ефективного адаптивного керування нестаціонарними рухомими об'єктами, причому зв'язок між параметрами систем ідентіфікації, фільтрації, та розрахунок параметрів змін налаштування регуляторів за обраним критеріем оптимізації повінен виконуваться безпосередно під час дії перехідних процесів. Об’єкт дослідження – технологічні процеси в системах автоматичної ідентифікації та керування складними високошвидкісними рухомими об'єктами. Предмет дослідження – моделі та методи динамічної перешкодо-захищеної ідентифікації та адаптації в системах автоматизованого керування рухомими об'єктами. Метою дисертаційної роботи є створення комплексної автоматизованої системи адаптивного керування процесами та комплексами різного призначення для покращення якості перехідних процесів у різних режимах роботи в умовах завад. У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, пов'язаної з розробкою нових та удосконалення існуючих методів створення, моделювання, синтезу простого, універсального та ефективного адаптивного керування нестаціонарними рухомими об'єктами, причому зв'язок між параметрами систем ідентифікації, фільтрації, та розрахунок параметрів змін налаштування регуляторів за обраним критеріем оптимізації повінен виконуваться безпосередно під час дії перехідних процесів. Аналіз теперешнього сучасного стану систем логічно-динамічного управління (керування), особливо адаптивни складними рухомими об'єктами, а саме автономний мобільний повітряними та наземними бездротовими, показал, що існуючі методи не завжди можут забезпечити оптимальний рівень контролю, моніторингу, продуктивності та надійності, особливо в складних умовах управління високошвидкісними рухомими об'єктами. У першому розділі дослідження проведено детальний аналіз актуальних науково-технічних завдань вивчено сучасні підходи та виявлено їх обмеження. Показано, що одним з основних недоліків існуючих, вже відомих систем ідентифікації, які базуються на сучасних моделях, полягає у незмінності структури моделі, яка налаштовується паралельно до досліджуваного об'єкту. Також відзначено значний час, необхідний для обчислень, та неузгодженість у визначенні всіх статичних і динамічних параметрів вибраної моделі об'єкта під час перехідних процесів. Основна наукова проблема, яку сформульовано, полягає в удосконаленні моделей та методів аналізу і синтезу систем логічно-динамічного управління складними рухомими об'єктами, такими як автономний мобільний повітряний бездротовий безпілотний літальний апарат, швидкісний потяг, тощо. Це важлива проблема, оскільки ефективне управління складними об'єктами вимагає постійного вдосконалення методів ідентифікації та аналізу їх структури та параметрів. Розв'язання цієї проблеми може сприяти покращенню ефективності систем управління та забезпечити оптимальну роботу складних рухомих об'єктів. У другому розділі дослідження обґрунтувано вибір методів для удосконалення моделей структурно-параметричної ідентифікації структури шляхом синтезу нового формуючого фільтру. Розроблювальний формуючий фільтр відрізняється від відомих моделей, які використовуються для корекції поточних параметрів налаштування регуляторів, параметрів ідентифікації та побудови адаптивних систем керування. Також у цьому розділі наведено та показано, що вихід адаптивного цифрового фільтра, який иконує параметричну функцію може бути використаний для автоматичного коригування будь-яких параметрів цього регулятора у данному контурі регулювання адаптивної компютерної системи керування, яка має обмежений діапазон по зміні амплітудних і частотних характеристик для корисного сигналу та перешкод, також способи та засоби корекції похибки. Це дозволяє адаптивному цифровому фільтру ефективно пристосовуватися до змін у вхідних сигналах та умовах роботи системи керування. Крім того, треба врахувувати яка є розрядность ціх перетворювачів АЦП і ЦАП дозволяє їм розширити професійну сферу їхнього застосування для запропонованого у роботі методу індексної ідентифікації, оскільки це дозволяє підтримувати високу точність та ефективність у реальних умовах. Запропонована нова модель індексної ідентифікації структури та параметрів складного рухомого об'єкта є інноваційною у галузі побудови адаптивних систем керування. Ця модель дозволяє, на відміну від відомих, за один перехідний процес ефективно ідентифікувати як структуру, так і параметри складного рухомого об'єкта, що є важливим для оптимального керування такими системами. Використання цієї моделі дозволяє побудувати адаптивні системи керування з можливістю корекції поточних параметрів налаштування регуляторів, що дозволяє системі бути більш гнучкою та ефективною у різних умовах роботи. У третьому розділі запропоновані моделі та методи для удосконалення моделей та методів аналізу і синтезу систем логічно-динамічного управління складними рухомими об'єктами. Зокрема, отримано аналітичні вирази, які пов'язують критерій оптимізації з параметрами налаштування адаптивного PI-PID-регулятора зі змінними параметрами об'єкта та адаптивного фільтра, що є дуже важливими для розвитку ефективних систем керування. Ці вирази дозволяють встановити оптимальні значення параметрів регулятора та фільтра, що дозволяє системі керування працювати оптимально в умовах змінних параметрів об'єкта. Розроблений метод синтезу моделей дискретних (цифрових) регуляторів, яки мають задані інерційні та динамічні (швидкісни) характеристики, що є важливим кроком у побудові ефективних систем керування. Цей метод дозволяє створити модель регулятора, яка відповідає певним заданим динамічним характеристикам. Розроблений метод синтезу моделі дискретного PID-регулятора з чітко заданими інерційними та динамічними (швидкісними) характеристиками на основі критерію бажаного перехідного процесу гарантованого ступеня стійкості є важливим кроком у побудові ефективних систем керування. Цей метод дозволяє створити PID-регулятор, який відповідає певним заданим динамічним характеристикам та гарантує певний ступінь стійкості системи керування. У висновках до роботи наведено основні найбільщзначущі результати данної наукової роботи щодо вирішення наукових задач дослідження, яки були поставлені на передодні дослідження. За результатами проведеного дослідження отримано наступні основні наукові результати: запропоновано новий метод синтезу адаптивних моделей та регуляторів на основі нових формуючих фільтрів, які мають додаткові апаратні входи для автоматичної корекції параметрів налаштування, що, на відміну від відомих методів, забезпечує динамічну адаптацію регуляторів в ході перехідних процесів; удосконалено універсальна модель адаптивного завадостійкого контуру керування автономними мобільними повітряними та наземними бездротовими рухомими одиницями, яка на відміну від відомих вже розроблених моделей має адаптивний індексний або структурно-параметричний ідентифікатор та формуючий фільтр в структурі самого адаптивного регулятора, або об'єкта зі змінними параметрами та запізненням, шляхом ідентифікації поточних динамічних параметрів об'єкта керування, що обчислюються в реальному часі з урахуванням критерію гарантованого ступеня стійкості на основі поточних обчислень відносин випадкових корисних сигналів до перешкод. Все це разом дає змогу реалізувати процедури швидкодіючої динамічної адаптації зазначених параметрів і дає можливість при реалізації автоматичних контурів керування підвищити, наприклад, швидкість поїздів та виключити обмежені психо-фізіологічні можливості машиністів, а отже, підвищити безпеку перевезень; подальший розвиток отримав науковий метод синтезу адаптивних контурів керування рухомими одиницями з безперервними та дискретними регуляторами, структура яких визначається формуючим фільтром регулятора, а параметри налаштування обчислюються формуючим фільтром моделі безперервно на основі методу індексної або структурно-параметричної перешкоднозахищеної ідентифікації та відомого критерію гарантованої ступеня стійкості у заданих межах зміни (в межах диапазону стійкості роботи цифрових формуючих, адаптивних та керованих фільтрів) значення оцінки відношення сигнал-перешкода, що забезпечує отримання виразів для параметрів налаштування цифрових регуляторів у вигляді алгебраїчних співвідношень та на відміну від існуючого критерію оптимізації (критерію максимального ступеня стійкості) враховує високий порядок характеристичного рівняння замкнутого контуру керування, для якого не можна аналітично знайти максимальний ступінь стійкості. Практичне значення результатів, отриманих в роботі полягає в наступному: - розроблені в дисертації та наукових працях метод та комплекс моделей дозволяють основі методів перешкодозахищеної індексної та структурно-параметричної ідентифікації забезпечити поточну автоматичну адаптацію регуляторів до змін параметрів об'єкта в реальному часі та оптимальність процесів керування, що виключить вплив людського фактора, через обмежені фізіологічні можливості операторів, наприклад, машиністів локомотивів при зростанні необхідної швидкості руху поїздів та підвищить безпеку перевезень; - розроблена процедура налаштування контурів керування на основі індексної та структурно-параметричної ідентифікації, за обраним критеріем оптимізації з урахуванням оцінки зміни параметрів передавальної функції адаптивного фільтра використана в курсі лекцій з дисципліни "Теорія автоматичного керування" для студентів 3 курсу навчання, а також дисципліни «Моделювання і оптимізація керованих процесів у динамічних системах» для аспірантів 2 курсу навчання (Додаток Е); - практичну цінність мають програми, написані мовою m-файлів за технологиею "Живий документ", які можуть моделювати компютерні моделі розроблених адаптивних фільтрів, ідентифікаторів, регуляторів та інших систем на ПЕОМ, а також структурні компютерні моделі адаптивного керування, які реалізовані в середовищі MATLAB, Scilab, що впроваджено у навчальний процес на кафедрі Автоматики та управління у технічних системах; - методика та результати досліджень, преведених під час роботи над дисертацієй, були використани при проведені лабораторних робіт з дисципліни "Теорія автоматичного управління" для студентів 3 курсу навчання (Додаток Е). Завдяки результатам наукового дослідження підтверджено практичну та теоретичну цінність методів, яки були розроблени в роботі, були надани практичні рекомендації, щодо застосування методів, вже розроблених в роботі та також розглянуто перспективи їх подальшого розвитку.

The dissertation is devoted to solving an urgent scientific and technical problem related to the development of new and improvement of existing methods for creating, modeling, synthesizing a simple, universal and effective adaptive control of non-stationary objects, and the connection between the parameters of identification, filtering systems, and the calculation of parameters for changing the settings of regulators according to the selected optimization criterion should be performed directly during the transient processes Object of research – technological processes in systems of automatic identification and control of complex high-speed moving objects. The subject of the research is models and methods of dynamic interference-protected identification and adaptation in automated control systems of moving objects. The purpose of the dissertation is to create a comprehensive automated system for adaptive control of processes and complexes for various purposes to improve the quality of transients in different operating modes under conditions of interference. The introduction substantiates the relevance of the problem associated with the development of new and improvement of existing methods for creating, modeling, and synthesizing simple, versatile, and efficient adaptive control of nonstationary objects, with the connection between the parameters of identification and filtering systems and the calculation of parameters for changing the settings of regulators according to the selected optimization criterion to be performed directly during the transient processes. Analyzing the current state of logic-dynamic control systems for complex moving objects, it is determined that existing methods are not always able to provide an optimal level of performance and reliability, especially in difficult conditions of logic-dynamic control of complex moving objects. In the first section of the study, a detailed analysis of current scientific and technical tasks was carried out, modern approaches were studied, and their limitations were identified. It is shown that one of the main disadvantages of the known identification systems based on existing models is the unchanging structure of the model, which is configured in parallel with the object under study. It was also noted that significant time spent on calculations and non-simultaneous calculation of all static and dynamic parameters of the selected object model during transient processes. The main scientific problem that has been formulated is to improve models and methods for analyzing and synthesizing systems of logical and dynamic control of complex moving objects. This is an important problem because effective control of complex objects requires continuous improvement of methods for identifying and analyzing their structure and parameters. Solving this problem can help improve the efficiency of control systems and ensure optimal operation of complex moving objects. The second section of the study substantiates the choice of methods for improving the models of structural-parametric structure identification by synthesizing a new shaping filter. The developed shaping filter differs from the known models used to correct the current parameters of the controller tuning, identification parameters, and construction of adaptive control systems. It is shown that the parametric output of the adaptive digital filter can be used to automatically adjust the controller parameters in the control loop of the control system within a limited range of changes in the amplitude and frequency characteristics of the useful signal and interference. This allows the adaptive digital filter to effectively adapt to changes in input signals and control system operating conditions. In addition, taking into account the bit depth of the ADC and DAC converters allows us to expand the scope of the proposed identification method, as it allows us to maintain high accuracy and efficiency in real-world conditions. The proposed new model of index identification of the structure and parameters of a complex moving object is innovative in the field of building adaptive control systems. This model allows for the efficient identification of both the structure and parameters of a complex moving object, which is important for the optimal control of such systems. The use of this model makes it possible to build adaptive control systems with the ability to correct the current parameters of the controller settings, which allows the system to be more flexible and efficient in different operating conditions. In the third section, models and methods are proposed to improve the models and methods of analysis and synthesis of logic-dynamic control systems for complex moving objects. In particular, analytical expressions have been obtained that relate the optimization criterion to the tuning parameters of an adaptive PI-PID controller with variable object parameters and an adaptive filter, which are very important for the development of efficient control systems. These expressions allow you to set the optimal values of the controller and filter parameters, which allows the control system to operate optimally in the face of variable object parameters. The developed method for synthesizing a model of discrete controllers with specified dynamic characteristics is an important step in building efficient control systems. This method allows creating a model of the controller that meets certain specified dynamic characteristics. The developed method for synthesizing a model of a discrete PID controller with specified dynamic characteristics based on the criterion of the desired transient of a guaranteed degree of stability is an important step in building effective control systems. This method allows us to create a PID controller that meets certain specified dynamic characteristics and guarantees a certain degree of stability of the control system. The conclusions present the main results of the scientific work on solving the scientific tasks of the study. The following scientific results were obtained as a result of the study: a new method for synthesizing adaptive models and controllers based on new shaping filters that have additional hardware inputs for automatic correction of tuning parameters, which, unlike known methods, provides dynamic adaptation of controllers and improves performance during transients; a universal model of adaptive noise-resistant control loop for rolling stock has been improved, which differs from the known models by the presence of an adaptive index or structural-parametric identifier and a forming filter in the structure of the adaptive controller, an object with variable parameters and delay, by identifying the current dynamic parameters of the control object, which are calculated in real time, taking into account the criterion of a guaranteed degree of stability based on current calculations of the relations of random useful signals All of this together implements procedures for fast dynamic adaptation of these parameters and makes it possible to increase, for example, the sectional speed of trains, eliminate the limited psychophysiological capabilities of drivers, and therefore improve transportation safety when implementing advanced control loops; a scientific method for synthesizing adaptive control loops for moving units with continuous and discrete controllers, the structure of which is determined by the controller's shaping filter, and the tuning parameters are calculated by the model's shaping filter continuously based on the method of index or structural-parametric noise-protected identification and the known criterion of the guaranteed degree of stability within the specified limits of change (within the range of stability of digital shaping, adaptive and controlled filters) of the value of the estimated. The practical significance of the results obtained is as follows: -the method and set of models developed in the dissertation and scientific papers allow, on the basis of methods of noise-proof index and structural-parametric identification, to ensure the current automatic adaptation of regulators to any changes in the parameters of the object in real time and the optimization of control processes, which will eliminate the influence of the human factor, due to the limited physiological capabilities of operators, for example, locomotive drivers, with an increase in the required train speed and increase the safety of transportation; -the developed procedure for setting up control loops based on index and structural-parametric identification, according to the selected optimization criterion, taking into account the estimation of changes in the parameters of the transfer function of the adaptive filter, was used in the course of lectures on the discipline "Theory of automatic control" for 3rd year students, as well as the discipline "Modeling and optimization of controlled processes in dynamic systems" for 2nd year postgraduate students. (Appendix E); -programs written in the language of m-files using the "Living Document" technology, which implement models of adaptive filters, identifiers, regulators and systems on a computer, as well as structural models of adaptive control implemented in MATLAB, Scilab, which are implemented in the educational process at the Department of Automation and Control in Technical Systems, are of practical value; The methodology and research results are used in laboratory work in the discipline "Theory of automatic control" for students of the 3rd year of study (Appendix E). The results of the study confirm the practical and theoretical value of the developed methods, provide practical recommendations for the application of the developed methods and consider the prospects for their further development.