СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПЕРАТИВНОГО ДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СОСТОЯНИЙ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
METHOD AND APPARATUS FOR RAPID DYNAMIC ANALYSIS OF STATES OF MULTI-PARAMETER OBJECT

Группа изобретений относится к области структурного распознавания образов и может быть использована в автоматизированных системах оперативной диагностики технического и функционального состояний многопараметрического объекта по данным измерительной информации.
Известны способ и устройство оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта децентрализованного типа [см. кн. Электрические измерения. / Под ред. В.Н.Малиновского. - М.: Энергоиздат, 1982. - С.377-378]. В способе все сигналы дифференцируют по индивидуальным функциям, которые выполняют заранее заданную операцию над информационным сигналом. Устройство организовано по магистральной структуре, соединяющей через устройство связи объект с ЭВМ и транслятором.
Недостатками этих решений являются рассредоточение информации по разным индивидуальным функциональным структурам с широкой номенклатурой, чрезмерная усложненность устройства, невозможность оперативного динамического анализа результирующих переменных вследствие независимости информационных каналов друг от друга.
Известны также способ и устройство централизованного динамического контроля и анализа состояний многопараметрического объекта [см. кн. Теория автоматического управления./ Под ред. Ю.М.Соломенцева. - М.: Высшая школа, 2000. - С.202-204]. Способ заключается в программно управляемом контроле и анализе состояний объекта на основе библиотеки программ, совместно с программой-диспетчером по заранее определенному порядку или в зависимости от текущих значений технологических параметров, с последующим выбором одной из имеющихся в библиотеке рабочих программ. Устройство организовано на базе информационно-измерительной системы с кольцевой структурой последовательно включенных интерфейса ввода данных, ЭВМ, исполнительного преобразователя, измерительных преобразователей, средства отображения, функционирующих в соответствии с командами оператора или программы-диспетчера.
Их недостатками являются низкая оперативность в выполнении команд и процедур, необходимых для оценки работы системы и ее коррекции, дорогостоящее программное и аппаратное обеспечение и сложность оперативной комплексной оценки поступающей информации.
За прототип принят способ оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта [см. патент №2134897 (РФ), ПМК G05B 19/408, G06F 17/40, опубликован 1999.08.20], заключающийся в измерении и оценке интегрального состояния многопараметрического объекта по графическому образу когнитивной матрицы, преобразовании результатов допусковой оценки разнородных динамических параметров в соответствующие информационные сигналы с обобщением по всему множеству параметров в заданном временном интервале и определении относительной величины и характера изменения интегрального состояния многопараметрического объекта.
За прототип реализации способа принято устройство оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта [см. кн. Теория автоматического управления. / Под ред. Ю.М.Соломенцева. - М.: Высшая школа, 2000. - С.207], содержащее устройство управления, генератор импульсов, соединенный с тактовым входом счетчика импульсов, усилитель, блок питания, многопараметрический объект, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен через усилитель к исполнительным механизмам многопараметрического объекта, управляющий выход допускового контроля которого соединен с управляющими входами режимов энергопотребления блока управления, управляющий выход энергопотребления которого соединен с соответствующим входом блока питания. Оператор с помощью ЭВМ осуществляет контроль выходных параметров процесса и варьирует диапазоны допустимого изменения воздействий на многопараметрический объект.
Недостатками прототипов являются низкая метрологическая и технологическая эффективность, а также отсутствие энергетической эффективности технологического оборудования с минимумом затрат энергии из-за невозможности автоматического принятия решений в масштабе реального времени, в том числе реализации адаптивных управляющих воздействий по результатам анализа цветокодовой матрицы состояний исследуемого объекта с минимумом затрат энергии.
Технической задачей предлагаемых способа и устройства является улучшение метрологической и технологической эффективности за счет автоматического оптимального управления энергосбережением, использующего для синтеза в масштабе реального времени энергосберегающих управляющих воздействий при любых изменениях состояний многопараметрического объекта в анализируемом диапазоне с заданной точностью синтезируемых воздействий, регламентируемых погрешностью образцовых сигналов.
Поставленная техническая задача достигается тем, что:
1
2
1
2
П1. В способе оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта, заключающемся в измерении и оценке общего состояния многопараметрического объекта по графическому образу когнитивной матрицы {Ф}={L*L}, в отличие от прототипа представляют результаты полного анализа процессов динамики оптимального управления объектом, описываемой моделью двойного апериодического звена с минимизируемым функционалом по затратам энергии, в виде когнитивного графического образа эквивалентов оптимального управления, который формируют в адресном пространстве кодовой матрицы постоянного запоминающего устройства, а затем используют для синтеза в масштабе реального времени энергосберегающих управляющих воздействий при любых изменениях состояний функционирования многопараметрического объекта в оцениваемом диапазоне с заданной точностью синтезируемых воздействий, регламентируемых погрешностью образцовых сигналов, где L - множество управляющих воздействий, L - меры оценки затрат на управление.
П2. Устройство по п.1, содержащее блок управления, генератор импульсов, соединенный с тактовым входом счетчика импульсов, усилитель, блок питания, многопараметрический объект, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен через усилитель к исполнительным механизмам объекта, управляющий выход допускового контроля которого соединен с управляющими входами режимов энергопотребления устройства управления, управляющий выход энергопотребления которого соединен с соответствующим входом блока питания, в отличии от прототипа дополнительно содержит постоянное запоминающее устройство и шифратор, соединенный по входам с выходом датчиков объекта, а по выходам - со старшими адресными разрядами постоянного запоминающего устройства, соединенного младшими адресными разрядами с выходами счетчика, а выходная шина постоянного запоминающего устройства связана с информационными входами цифроаналогового преобразователя, управляющий вход которого соединен с управляющим информационным выходом устройства управления, управляющий тактовый выход которого связан с соответствующим входом генератора импульсов.
Способ и устройство представлены на фиг.1-4.
1
2
Сущность предлагаемого способа оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта (см. фиг.1-4) заключается в измерении и оценке общего состояния объекта, информация о котором представлена в виде когнитивного графического образа эквивалентов оптимального управления {Ф}={L*L} (фиг.1), формируемого по данным диагностической информации (фиг.2, кривая z) с последующим синтезом энергосберегающих управляющих воздействий в масштабе реального времени (фиг.3, кривая u*).
Результаты полного анализа процессов динамики оптимального управления объектом представляют в виде образов эквивалентов (фиг.1), которые формируют в адресном пространстве кодовой матрицы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Этот образ находят априори из полного анализа процессов динамики оптимального управления объектом, описываемой моделью двойного апериодического звена с минимизируемым функционалом по затратам энергии. Использование когнитивного графического образа эквивалентов оптимального управления позволяет исключить процедуру анализа оптимального управления при динамическом анализе состояний многопараметрического объекта в реальном масштабе времени, тем самым значительно понизить требования к техническим средствам, реализующим управление.
Поясним предлагаемый способ на примере оптимального управления динамическим процессом электрооборудования. Процесс динамики электрических нагревателей и электродвигателей может быть описан системой дифференциальных уравнений
1
2
1
2
где z и z, представляют собой фазовые координаты, параметры a и a характеризуют инерционность объекта управления, параметр b - коэффициент усиления управляющего воздействия u(t).
Для определения оптимальных управляющих воздействий u*, реализующих оптимальное энергосберегающее управление по переводу многопараметрического объекта из начального состояния  в конечное , при заданной скорости изменения данной фазовой координаты от  до , необходима сложная двухэтапная процедура, состоящая из анализа и синтеза оптимального управления в реальном масштабе времени.
Анализ оптимального управления охватывает широкий круг задач, связанных с исследованиями вопросов существования решения, устойчивости, определения возможных видов функций оптимального управления и множество других задач. Выполнение процедуры анализа оптимального управления требует сложных алгоритмических и математических расчетов и, как следствие, дорогостоящих высокопроизводительных микропроцессорных технических средств. Это является препятствием к оперативному динамическому анализу состояний многопараметрического объекта.
Получаемые результаты анализа оптимального управления на множестве состояний функционирования служат основой для построения когнитивного графического образа, применяемого в дальнейшем для построения устройств энергосберегающего управления различными динамическими объектами. Для выполнения процедуры анализа оптимального управления в системе заданы исходные данные для решения задачи, представленные в виде массива реквизитов
1
2
Результатом анализа является получение когнитивного образа в виде цветокодовой матрицы {Ф}={L*L} областей существования управлений (фиг.1). Вид минимизируемого функционала сохраняется на всем временном интервале управления
управляющее воздействие на заданном временном интервале ограничено
н
в
где u - нижний порог управляющего воздействия; u - верхний порог управляющего воздействия.
Следовательно, управление ограничено, в каждый момент времени концы траектории изменения фазовых координат закреплены и временной интервал фиксирован.
Из полученного на основе полного анализа когнитивного графического образа (фиг.1) областями, для которых существует оптимальное управление, будут являться области I, II, III, IV, V, VI, VII.
1
2
1
2
Синтез управляющих воздействий осуществляется по результатам полного анализа, проведенного априори и представленного в виде когнитивного графического образа {Ф}={L*L}, сформированного в адресном пространстве кодовой матрицы L*L ПЗУ устройства управления, по массиву исходных данных реквизитов задачи оптимального управления (2).
1
2
В результате процедуры синтеза оптимального управления определяем область (фиг.1), в которую попадает точка S с координатами (L, L). Каждой области соответствует определенный вид функции управления.
1
2
В случае если оптимальное управление не найдено, т.е. координаты точки S=(L, L) не принадлежат областям I-VII когнитивного графического образа, то осуществляется автоматический перевод устройства управления из оптимального в традиционный для многопараметрического объекта режим функционирования.
На фиг.4 представлена функциональная схема устройства, включающая в себя многопараметрический объект 1, блок управления 2, генератор импульсов 3, счетчик 4, ПЗУ 5, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 6, усилитель 7, шифратор 8, блок питания 9.
ЦАП 6 подключен через усилитель 7 к исполнительным механизмам многопараметрического объекта 1. Управляющий выход допускового контроля многопараметрического объекта 1 соединен с управляющими входами режимов энергопотребления блока управления 2, его управляющий выход энергопотребления соединен с соответствующим входом блока питания 9. Шифратор 8 соединен по входам с выходом датчиков многопараметрического объекта 1, а по выходам - со старшими адресными разрядами ПЗУ 5, соединенного младшими адресными разрядами с выходами счетчика 4. Выходная шина ПЗУ 5 связана с информационными входами ЦАП 6, управляющий вход которого соединен с управляющим информационным выходом блока управления 2, его тактовый выход связан с соответствующим входом генератора импульсов 3.
Заявляемый способ реализуется устройством оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта следующим образом.
С управляющего выхода допускового контроля многопараметрического объекта 1 на управляющий вход режимов энергопотребления блока управления 2 подаются сигналы управления питанием схемы устройства, переводящие его в режимы "включено", "выключено" или "ожидание", а с управляющего выхода энергопотребления блока управления 2 на вход блока питания 9 подаются сигналы, соответствующие заданным режимам работы устройства - "включено", "выключено" или "ожидание". Блок питания 9 осуществляет питание всех функциональных блоков 1-8 устройства в соответствии с заданным режимом. "Включено" - питание подается на все блоки устройства, "выключено" - устройство обесточено, "ожидание" - осуществляется перевод устройства в режим малого энергопотребления, при котором функционирует только блок управления 2. В этом случае устройство способно выйти на рабочий режим значительно быстрее, чем из состояния "выключено". С тактового выхода блока управления 2 на соответствующий вход генератора импульсов 3 поступает сигнал включения или отключения генератора импульсов 3, тактовые импульсы которого поступают на тактовый вход счетчика 4.
n
С выходов датчиков многопараметрического объекта 1 на входы шифратора 8 подаются сигналы, соответствующие массиву реквизитов (2) задачи оптимального управления. С выходов шифратора 8 кодовая последовательность, соответствующая массиву реквизитов, подается на старшие адресные разряды A ПЗУ 5, представляющие собой адресную группу одной из семи зон I-VII когнитивного графического образа (фиг.1) областей оптимального управления. Каждой зоне соответствует определенный вид функции оптимального управления.
m
n
m
n
Формирование сигнала оптимального управления многопараметрическим объектом 1 осуществляется путем перебора счетчиком 4 адресов младшей адресной группы А ПЗУ 5, где записана функция оптимального управления, соответствующая выбранной зоне когнитивного графического образа (фиг.1) адресного пространства А. На выходной шине ПЗУ 5 формируются кодовые комбинации N(A+А), соответствующие управляющему воздействию на многопараметрический объект 1, которые преобразуются в аналоговый сигнал ПАП 6 и нормируются усилителем 7.
1
2
В случае если оптимальное управление не найдено, т.е. координаты точки L=(L, L) не принадлежат ни одной из семи областей когнитивного графического образа (фиг.1), с управляющего информационного выхода блока управления 2 на управляющий вход ЦАП 6 подается сигнал, переключающий устройство в традиционный режим управления.
Докажем эффективность предлагаемых способа и устройства оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта относительно прототипа. Теоретические исследования и практические результаты показывают, что при оптимальном управлении уменьшение затрат энергии может достигать от 5% до 40% по сравнению с традиционно используемыми управляющими воздействиями [см. Аджиев М.Э. Энергосберегающие технологии. - М.: Энергоатомиздат, 1990. 64 с.; Аракелов В.Е., Кремер А.И. Методические вопросы экономии энергоресурсов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. 188 с.] В качестве примера рассмотрим перевод теплового объекта - нагревательной плиты из начального состояния  в конечное  с минимумом затрат энергии.
Массив реквизитов для анализа энергосберегающего управления приведен в таблице 1.
Таблица №1
Исходные данные эксперимента
Параметр
Значение
a<sub>1</sub>
-0,10
a<sub>2</sub>
-1,10
b
1,00
t<sub>0</sub>
0
t<sub>k</sub>
5,00
u<sub>н</sub>
0
u<sub>в</sub>
200,00
<img file="00000012.tif" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
15,00
<img file="00000013.tif" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
320,00
<img file="00000014.tif" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
0
<img file="00000015.tif" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
140
I<sub>Э</sub>
104000
Э
I - функционал (лимит) затрат энергии при традиционном управлении (фиг.3, кривая u). Следовательно, задача заключается в определении такого управления, которое обеспечит перевод объекта из начального состояния в конечное с минимумом затрат энергии (2).
В результате проведения полного анализа оптимального управления получаем цветокодовую матрицу в виде образов эквивалентов множества состояний оптимального управления (фиг.1).
Далее когнитивный графический образ формируют в адресном пространстве кодовой матрицы постоянного запоминающего устройства в виде образов эквивалентов множества состояний оптимального управления.
На следующем этапе осуществляется операция синтеза, в результате чего получаем координаты точки S (фиг.1, таблица №2), и в соответствии с координатами полученной точки осуществляется выбор вида функции управления и осуществляется ее реализация (фиг.2, кривая z* таблица №3).
Таблица №2
Результаты эксперимента
Параметр
Значение
L<sub>1</sub>
0,38117
L<sub>2</sub>
43,22061
Номер зоны
IV
I
65672
На фиг.2 и в таблице №3 приведены зависимости, отображающие изменение температуры нагревательной системы при традиционном и оптимальном управлении.
Таблица №3
Результаты эксперимента
t, мин
Традиционное управление
Энергосберегающее управление
z, °C
u, B
z<sup>*</sup>, °С
u<sup>*</sup>, В
0
15,0
200,00
15,0
51,4
0,2
18,6
200,00
15,9
51,1
0,4
28,7
200,00
18,4
51,0
0,6
43,9
200,00
22,2
51,1
0,8
63,1
200,00
27,0
51,4
1
85,4
200,00
32,6
52,0
1,2
110,2
200,00
38,8
52,9
1,4
136,9
200,00
45,6
54,4
1,6
165,0
200,00
52,9
56,3
1,8
194,2
200,00
60,5
59,0
2
224,0
200,00
68,5
62,4
2,2
254,4
200,00
77,0
66,9
2,4
285,0
200,00
85,9
72,7
2,6
320,0
-
95,4
80,0
2,8
-
-
105,5
89,1
3
-
-
116,5
100,6
3,2
-
-
128,5
114,9
3,4
-
-
141,8
132,7
3,6
-
-
156,8
154,6
3,8
-
-
173,8
181,7
4
-
-
193,4
200,00
4,2
-
-
215,6
200,00
4,4
-
-
239,8
200,00
4,6
-
-
265,6
200,00
4,8
-
-
292,4
200,00
5
-
-
320,0
-
Таким образом, используя свойство инерционности объекта и несколько большее время нагрева при энергосберегающем управлении, получаем функционал затрат энергии I=65672, что при сравнении с функционалом затрат энергии стандартного управления соответствует экономии электроэнергии, равной 36,85%.
Рассчитаем также технологичность заявляемого устройства в сравнении с прототипом.
0
0
1
2
где, τ - нормированное время операции (τ=1), τ - время выполнения всех операций заявленным устройством, τ - время выполнения всех операций прототипом, n - количество операций, выполняемых заявляемым устройством, m - количество операций, выполняемых прототипом, k - коэффициент эффективности, η - технологичность.
Результаты полного анализа процессов динамики оптимального управления объектом, найденные априори и сформированные в адресном пространстве ПЗУ устройства в виде образов эквивалентов (фиг.1), позволяют исключить процедуру анализа оптимального управления при динамическом анализе состояний многопараметрического объекта в реальном масштабе времени, тем самым значительно сократить объем требуемых вычислений и число функциональных блоков устройства по отношению к прототипу. Таким образом, технологичность η заявляемых способа и устройства будет в 4 до 100 раз выше известных решений в зависимости от типа многопараметрического устройства и особенностей его эксплуатации.
Предлагаемые способ и устройство оперативного динамического анализа состояний многопараметрического объекта позволяют упростить процедуру измерения и оценки общего состояния многопараметрического объекта за счет того, что сложная процедура анализа оптимального управления производится априори, в результате чего когнитивный графический образ эквивалентов оптимального управления записывается в адресном пространстве кодовой матрицы ПЗУ и не требуется его определение в процессе динамического анализа и управления, что в итоге повышает энергетическую и метрологическую эффективность на 36,85% и технологическую эффективность в 4÷100 раз.
Таким образом, предлагаемый способ благодаря представлению результатов полного анализа процессов динамики оптимального управления многопараметрического объекта, описываемого моделью двойного апериодического звена с минимизируемым функционалом по затратам энергии, в виде когнитивного графического образа эквивалентов оптимального управления, формируемым в адресном пространстве кодовой матрицы постоянного запоминающего устройства, используемым для синтеза в масштабе реального времени энергосберегающих управляющих воздействий при любых изменениях состояний функционирования многопараметрического объекта в анализируемом диапазоне с заданной точностью синтезируемых воздействий, регламентируемых погрешностью образцовых сигналов, в отличие от известных решений повышает метрологическую и технологическую эффективность многопараметрических объектов с минимизируемым функционалом по затратам энергии. Это позволяет снизить затраты на аппаратное обеспечение системы управления, вследствие пониженных требований к быстродействию системы, конфигурации микросхемотехники, а также осуществить автоматическое принятие решений в масштабе реального времени, в том числе реализации адаптивных управляющих воздействий по результатам анализа цветокодовой матрицы состояний исследуемого многопараметрического объекта с минимумом затрат энергии.