Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Литвинов Максим Михайлович. Нелинейное управление сельскохозяйственными объектами в переходных режимах : Дис. ... канд. техн. наук : 05.13.06 Москва, 2006 152 с. РГБ ОД, 61:06-5/1658

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Особенности управления энергоемкими объектами АПК

в переходных режимах 13

  1. Проблема выбора критериев качества управления 19

  2. Анализ методов управления переходными процессами 26

  3. Программно-технические комплексы для реализации систем управления энергоемкими объектами АПК 38

  4. Выводы по первой главе 48

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РОБАСТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКИМИ ОБЪЕКТАМИ АПК В ПЕРЕХОДНЫХ

РЕЖИМАХ I

  1. Исследование переходных процессов в линейных системах управления технологическими процессами сельскохозяйственного производства 51

  2. Разработка алгоритма управления линейными объектами с учетом ограничений на величину управляющих воздействий 55

  3. Исследование систем с нелинейными регуляторами 78

  4. Выводы по второй главе 72

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКИМИ ОБЪЕКТАМИ АПК

3.1. Адаптивное управление объектами в переходных режимах

на основе принципа наименьших квадратов 74

3.2. Адаптивное управление объектами в переходных режимах

^ с использованием методов интерполяции 77

  1. Адаптивное управление объектами в режимах стабилизации управляемых технологических параметров 80

  2. Выводы по третьей главе 88

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МРІКРОПРОЦЕССОРНОИ СИСТЕМЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКИМИ ОБЪЕКТАМИ АПК

  1. Применение Scada-системы GENIE для управления энергоемкими объектами АПК 89

  2. Применение программируемых логических контроллеров

для управления энергоемкими объектами АПК 103

  1. Микропроцессорная система для управления энергоемкими объектами АПК 119

  2. Анализ технико-экономической эффективности системы робастного управления процессом сушки молока 131

  3. Выводы по четвертой главе 132

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 134

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 136

ПРИЛОЖЕНИЕ. Внедрение научных разработок 149

Введение к работе:

Автоматизация технологических процессов и производств способствует повышению производительности труда, качества выпускаемой продукции и снижению удельных энергозатрат при ее производстве.

Автоматизация сельского хозяйства опирается на богатый опыт промышленности. Вместе с тем к методам и средствам автоматизации, применяемым в сельскохозяйственном производстве, предъявляют специфические требования, обусловленные его особенностями.

Основная особенность сельскохозяйственного производства заключается в неразрывной связи техники с биологическими объектами (животными и растениями), для которых характерны непрерывность процессов образования продукции и цикличность ее получения, невозможность увеличения выпуска продукции за счет ускорения производства. В этих условиях автоматика должна работать надежно, так как такой процесс нельзя прервать и практически невозможно наверстать упущенное путем интенсификации последующего периода [16, 130].

Необходимо также учитывать, что условия работы средств автоматики в сельском хозяйстве очень тяжелые и вероятность возникновения неисправностей значительно выше, чем в других отраслях народного хозяйства.

Поэтому средства сельскохозяйственной автоматики должны быть относительно дешевыми, простыми по устройству и надежными в эксплуатации.

Наиболее высокие требования к надежности средств сельскохозяйственной автоматики предъявляются при управлении энергоемкими объектами АПК в переходных режимах их работы, т.к. переходные процессы определяют наиболее важные показатели качества управления [46].

Действительно, при изменении режимов работы энергоемких объектов АПК, особенно при их пуске и останове, изменение управляющих воздействий и управляемых технологических параметров весьма значительно, что существенно повышает влияние различных нелинейностей, присущих ха-

5 рактеристикам сельскохозяйственных объектов, на качество управления.

Поэтому применение традиционных методов анализа и синтеза автоматических систем, основанных на использовании линейных моделей управляемых объектов, в переходных режимах их работы может приводить к снижению качества управления и к различным нештатным ситуациям.

Кроме того, в процессе функционирования сельскохозяйственные объекты подвергаются действию аддитивных и мультипликативных возмущений, причем аддитивные возмущения влияют на управляемые величины, а мультипликативные на статические и динамические характеристики управляемых объектов.

Это приводит к тому, что решение задачи идентификации, т.е. построения математической модели объекта, приходится осуществлять на основе весьма ограниченного объема зашумленных экспериментальных данных и расплывчатой априорной информации об объекте [131]. Наряду с этим характеристики объекта могут дрейфовать во времени, вследствие чего происходит старение модели.

При данных обстоятельствах использование эффективных методов нелинейного управления, основанных на принципе максимума Л.С. Понтря-гина [127, 132] и методе динамического программирования Р. Беллмана [128, 132] оказывается весьма затруднительным.

Поэтому в настоящей работе была поставлена задача разработки достаточно универсальных и простых в использовании методов управления различными сельскохозяйственными объектами в переходных режимах, обеспечивающих высокое качество управления при весьма ограниченной информации о характеристиках управляемых объектов.

Наибольшие издержки сельскохозяйственных предприятий обусловлены расходами на корма, оборудование и энергоносители. В частности, расходы на эти цели животноводческих комплексов по производству говядины и свинины составляют ежедневно десятки миллионов рублей, приходящихся на один комплекс. Аналогичные затраты имеют место на тепличных комбинатах, птицефабриках, предприятиях по производству и перера-

ботке кормов, зерноочистительно-сушильных пунктах и других технологических объектах сельскохозяйственного производства.

Автоматизация указанных объектов - доступный и сравнительно легко реализуемый практический способ увеличения эффективности производства. В первую очередь это объясняется тем, что технологические аспекты большинства сельскохозяйственных технологических процессов в настоящее время отработаны достаточно полно, а резервы повышения их эффективности, связанные с качеством управления и уровнем автоматизации в целом, использованы в меньшей степени.

Указанные резервы повышения эффективности технологических процессов производства особенно велики в случае автоматизации объектов сельскохозяйственных агрегатов, функционирование которых связано с тепло- и массообменом. Это теплицы, парники, сушильные установки, животноводческие помещения, птичники, хранилища сельскохозяйственной продукции, паровые и водогрейные котлы и другие энергоёмкие объекты.

Как известно [134], превышение температуры воздуха в теплице вследствие неточного регулирования всего на 1С приводит на площади 6 га к перерасходу газа до 116 м за один час. Согласно исследованиям, выполненным в работе [135] система регулирования климата в теплицах с помощью микроэлектроники обеспечивает прибавку урожая огурцов на 15% и экономит 15 ... 20% энергии.

В животноводческих помещениях при создании необходимых темпе-ратурно-влажностных условий электротермическими установками перерасход электрической энергии на отопление и вентиляцию ввиду неудовлетворительного качества регулирования достигает 10 ... 12%. Кроме того, указанные потери сопровождаются потерями продуктивности животных (до 15,5%) и перерасходом кормов (до 5%) [136].

Как показывают расчеты [137], оптимизация управления обработкой и хранением зерна позволяет повысить производительность машин на 20 ... 25%, снизить простои поточных линий в 4 ... 5 раз, обеспечить заданное качество готовой продукции и уменьшить затраты ручного труда в 2 ... 3 раза.

Таким образом, из всего многообразия сельскохозяйственных технологических процессов можно выделить тепло- и массообменные как экономически наиболее подходящие для автоматизации.

В этой связи отметим, что при управлении температурными режимами теплиц регулярно приходится осуществлять технологический переход «день-ночь», обусловленный отсутствием фотосинтеза в ночное время. При этом температура воздуха в теплицах снижается на 4 ... 6 С [130].

Поэтому решение задачи управления обогревом теплиц в переходных режимах работы весьма актуально и экономически эффективно.

В плане практической реализации систем управления обогревом теплиц в переходных режимах наиболее подходящими техническими и программными средствами управления являются программируемые логические контроллеры (ПЛК) и SCADA-системы, позволяющие реализовать алгоритмы управления практически любой сложности, осуществлять по мере необходимости их оперативную коррекцию, а также предоставлять оператору-технологу оперативную информацию об управляемом процессе в удобном для восприятия виде.

Термин SCADA - это сокращение английского термина Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных.

SCADA - пакеты прикладных программ поддерживают анимацию, мастер-объекты, исторические тренды и тренды реального времени, имеют встроенные языки программирования и библиотеки функций. Включают в себя среду разработки и исполнения, модули статистического контроля технологического процесса, менеджер рецептов, модули обращения к структурному языку SQL. SQL - Structured Query Language - структурированный язык запросов, это наиболее популярный и распространенный сервер баз данных.

Различные методы управления рассматриваемыми в работе технологическими процессами представлены в трудах отечественных и зарубежных ученых [1 - 137]. Однако, не решенной до конца, остается проблема разработки методов управления, не утрачивающих своей эффективности в харак-

8 терных для сельскохозяйственного производства условиях информационной неопределенности (неполноте или даже отсутствии достоверной информации о статистических характеристиках возмущающих воздействий, влияющих на контролируемые параметры технологических процессов, изменяющихся параметрах динамических характеристик управляемых объектов).

Таким образом, разработка методов, а также программно-технических средств управления сушильными установками и технологическими процессами обогрева теплиц в переходных режимах является актуальной задачей.

Диссертационная работа посвящена решению изложенных выше актуальных проблем и задач. Ее результаты отражены в публикациях [138-141]. Они нашли практическое применение:

1. При управлении температурным режимом сушильной установки «Нема-500» ЗАО «Мелеузовский молочно-консервный комбинат» г. Меле-уз.

2. В учебном процессе, методических пособиях, лабораторных работах и лекциях для студентов Российского государственного аграрного заочного университета (РГАЗУ) и Московского государственного агроинженерного университета имени В.П. Горячкина (МГАУ).

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и одобрены на: X Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий «Инноватика 2005», г. Сочи в 2005 г.; XI Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности», г. Москва в 2005 г.

Основное содержание диссертационной работы представлено в четырех главах.

В первой главе анализируются литературные источники, рассматриваются особенности управления энергоемкими объектами АПК в переходных режимах. В результате установлено, что актуальна разработка методов, обеспечивающих высокое качество управления в переходных режимах работы объектов с учетом имеющихся нелинейностей, присущих как самому

9 объекту, так и исполнительным механизмам. Анализируется эффективность существующих методов управления переходными процессами, и их применимость при неполноте и даже отсутствии информации о статистических характеристиках возмущающих воздействий и динамических характеристиках каналов управления объектов. Рассматриваются также критерии управления и ограничения при их оптимизации. Представлен обзор программно-технических комплексов, предназначенных для формирования и обработки информации об объектах, управляемых посредством микропроцессорных средств в комплекте с межсетевыми структурами, программным обеспечением и сервисными средствами для эксплуатации, поверки, контроля работы, наладки и обслуживания и др. В заключение главы даны выводы, определяющие конкретные задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассматриваются задачи, связанные с разработкой методов робастного управления энергоемкими объектами АПК в переход-ных режимах работы. При этом вначале анализируются переходные процессы в линейных системах управления, для которых установлено, что независимо от вида используемых регуляторов сигнал управления по завершении переходного процесса стремиться к одному и тому же установившемуся значению, определяемому статической характеристикой управляемого объекта. Затем полученная закономерность используется при разработке алгоритмов управления линейными объектами с учетом существующих ограничений на величину управляющих воздействий. На основании полученных результатов делается вывод, что для эффективного управления энергоемкими объектами АПК в переходных и установившихся режимах работы целесообразно использовать нелинейный регулятор с переменной структурой, причем для управления с помощью данного регулятора переходными режимами как линейных, так и нелинейных объектов требуется лишь информация об их статических характеристиках.

Третья глава посвящена решению задач адаптивного управления энергоемкими объектами АПК, как в переходных, так и в установившихся режимах работы с использованием разработанного нелинейного регулятора

10 с переменной структурой. При этом разработаны методы идентификации статических и динамических характеристик нелинейных объектов управления. Причем установлено, что для объектов с известным законом изменения статических характеристик, оценку неизвестных значений численных коэффициентов этих характеристик целесообразно осуществлять на основе метода наименьших квадратов, а для объектов с неизвестным законом изменения статических характеристик для их идентификации предложено использовать различные методы интерполяции. В установившихся режимах работы объектов осуществляется идентификация динамических характеристик линеаризованного объекта, т.к. для этих режимов характерны сравнительно небольшие отклонения управляемых величин от их заданных значений, что в большинстве практически значимых случаев позволяет с достаточной точностью осуществить процедуру линеаризации.

В четвертой главе решается комплекс задач по внедрению разработанных методов управления в сельскохозяйственное производство. При этом обосновывается целесообразность использования SCADA- пакета программ GENIE, являющегося инструментальной средой разработки приложений сбора, обработки, графического представления данных и управления, содержащего встроенные функциональные блоки и графические элементы отображения, позволяющие значительно сократить затраты на разработку программного обеспечения для систем автоматизации. При этом на основании выполненного анализа возможностей пакета GENIE сделан вывод о целесообразности его использования для управления в реальном времени обогревом теплиц и другими технологическими процессами сельскохозяйственного производства. Для технической реализации разработанных методов применительно к управлению переходными режимами энергоемких объектов АПК используется программируемый логический контроллер Modicon TSX Momentum, выпускаемый компанией «Шнейдер Электрик», имеющего модульную структуру, в состав которой входят модули распределенного ввода/вывода, процессоры коммуникационных адаптеров и адаптеров расширения. Модульная конструкция и адаптируемость контроллера

Modicon TSX Momentum дает необходимую гибкость в создании систем отвечающих всем требованиям современного сельскохозяйственного производства. Разработанный программно-технический комплекс применяется для практической реализации микропроцессорной системы нелинейного управления сушильной установкой "Нема-500" на ЗАО "Мелеузовский мо-лочноконсервный комбинат" (г. Мелеуз) и обогревом теплиц на ЗАО «Агрофирма «Подмосковное».

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

  1. Установлено, что по завершении переходных процессов, как в линейных, так и нелинейных системах с устойчивыми объектами сигнал управления стремится к значению, определяемого лишь статической характеристикой управляемого объекта и не зависящего от вида используемого регулятора.

  2. Предлагается использовать статические характеристики управляемых объектов для синтеза алгоритмов управления, как линейными, так и нелинейными объектами в переходных режимах, поскольку в этом случае значительно уменьшается длительность переходных процессов, а для объектов, не содержащих колебательных звеньев, удается полностью устранить перерегулирование, что способствует сокращению теплопотерь в системах управления процессами теплообмена.

  3. Для управления энергоемкими объектами АПК в переходных и установившихся режимах разработан нелинейный регулятор переменной структуры, что позволяет осуществлять эффективное управление в указанных режимах, как линейными, так и нелинейными объектами.

  4. Разработан метод определения неизвестных статических характеристик управляемых энергоемких объектов АПК.

На защиту выносятся следующие основные положения:

  1. Метод управления энергоемкими объектами АПК в переходных режимах, базирующийся на использовании их статических характеристик.

  2. Регулятор переменной структуры, предназначенный для управления

12 энергоемкими объектами АПК, как в переходных, так и установившихся режимах работы.

3. Методы идентификации статических характеристик управляемых энергоемких объектов АПК.

Диссертация выполнена на кафедре электрооборудования и автоматики Российского государственного аграрного заочного университета (РГАЗУ).

Подобные работы
Шнайдер Дмитрий Александрович
Автоматизация управления системами теплоснабжения промышленных объектов при низкотемпературных режимах
Степанян Николай Мушегович
Исследование систем автоматизированного управления предельными режимами энергетических установок транспортных объектов
Гринкруг Яков Соломонович
Управление режимами работы дизельных электростанций в автономных сетях электроснабжения
Гойтина Екатерина Владимировна
Автоматизированное управление режимами тепловых сетей на основе макромоделирования
Асташин Сергей Михайлович
Управление режимами и процессами эксплуатации систем тягового электроснабжения на основе имитационного моделирования
Сузгаев Максим Валерьевич
Автоматизированный контроль и управление режимами работы трансформаторов тяговых подстанций
Ле Куанг Хоа
Оптимальное управление режимами работы ТЭС Вьетнама с учетом экологических факторов
Узенгер Алексей Андреевич
Структурное моделирование и оптимальное управление температурными режимами жидкого металла в газовых отражательных печах для плавления алюминиевых сплавов
Нгуен Куанг Хынг
Управление двигателем постоянного тока на скользящих режимах
Шафрайчук Алексей Александрович
Повышение эффективности прогнозирования динамических режимов в автоматизированном электроприводе постоянного тока с импульсным управлением

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net