Реферат: Технология и автоматизация производства РЭА

     3. отношение эквивалентности в  смысле  принадлежности  к  общему

классу;

     4. отношение порядка в системе.  Названия параметров, между кото-

рыми устанавливается взаимосвязь, должны быть качественно совместимы в

смысле используемых отношений.  В противном случае отношения между па-

раметрами могут не выполняться или потеряют смысл. Такая совместимость

обеспечивается на этапе качественного анализа исследователем.

     Для описания модели поведения дискретных систем разработана  тео-

рия конечных автоматов.  Здесь допускается, что система имеет конечное

число состояний и из одного состояния в другое  может  переходить  при

определенных условиях (ограничениях). Математический аппарат, применя-

емый в этом методе - теория множеств.

            2.8. Идентификация технологических процессов.

     Идентификацией называется определение динамических  характеристик

объекта  управления в рамках выбранной модели.  Эффективное управление

технологическим процессом с использованием методов теории автоматичес-

кого  управления  возможно  лишь тогда,  когда известно математическое

описание этого процесса. Поэтому построение математического описания -

важнейший  этап  создания  любой автоматизированной или автоматической

системы управления. Методы идентификации делятся на пассивные и актив-

ные.  Метод идентификации называется активным, если на объект подаются

специальные воздействия с целью определения его динамических  характе-

ристик.

     Пассивные методы идентификации - это такие методы,  в которых мо-

дель объекта выбирают по результатам наблюдения входного  и  выходного

сигналов  в  процессе  нормальной эксплуатации и на объект не подаются

никакие специальные сигналы с целью выявить  его  свойства.  Пассивные

методы особенно удобны тем,  что не нарушают нормального хода техноло-

гического процесса.  Однако,  преимущество активных методов в том, что

энергия тестового воздействия сосредоточена в узкой временной или час-

тотной области,  поэтому реакции объекта на тестовые  сигналы  выявить

легче и надежнее.

     Для управления технологическим процессом  необходимо  знать,  как

влияет то или иное входное воздействие,  управляющее процессом, на вы-

ходную переменную, характеризующую его протекание. Поэтому идентифика-

ция процесса сводится к построению математического описания зависимос-

                                - 64 -

ти между этими величинами,  которое состоит из двух  этапов.  Первона-

чально необходимо определить характер искомой зависимости и вид ее ма-

тематического описания,  а затем найти конкретные значения  параметров

такого описания. Первый этап обычно называется структурной идентифика-

цией, а второй - параметрической.

     Исходными данными  для  построения математической модели процесса

могут послужить как теоретические представления о  природе  физических

явлений, происходящих при протекании этого процесса, так и эксперимен-

тально измеряемые зависимости между входными и выходными  переменными.

В  принципе каждый из этих подходов может использоваться для идентифи-

кации процесса. Однако использование только теоретического подхода ос-

ложнено  тем,  что на практике,  как правило,  оказывается невозможным

учесть все многообразие реально действующих на процесс факторов.  В то

же  время идентификация процесса только на основании экспериментальных

данных оказывается весьма сложной задачей с вычислительной точки  зре-

ния. Поэтому при идентификации технологических процессов целесообразно

комплексное использование всей имеющейся информации о процессе, причем

теоретическое представление следует относить к структурной идентифика-

ции.  При этом оцениваются динамические свойства процесса,  его линей-

ность,  стационарность и др., на которых основывается выбор вида мате-

матического описания.  Экспериментальные данные используются для пара-

метрической идентификации.

     При разработке систем управления  технологическими  процессами  в

основном  приходится  рассматривать задачи параметрической идентифика-

ции. Поэтому рассмотрим ряд методов параметрической идентификации, на-

иболее  пригодных  для построения моделей технологических процессов на

действующих производствах. Рассмотрим случай идентификации непрерывных

технологических процессов.

     Использование "быстрой" оптимизации технологического процесса  на

его  обычной или прогнозирующей модели является главным в так называе-

мых системах двухшкального управления.  При этом  идентификация  может

осуществляться как в реальном масштабе времени,  так и в супервизорном

режиме с их последующей обработкой.

     Знание параметров  прогнозирующей  модели  необходимо  в системах

терминального управления,  применяемых в АСУТП для управления конечным

состоянием технологического процесса,  причем здесь также используется

идентификация в реальном масштабе времени.

     Идентификация в  реальном  масштабе времени дает возможность осу-

ществлять функциональную диагностику объекта, датчиков, исполнительных

устройств  и  самой ЭВМ.  Более того,  при этом появляется возможность

увеличить живучесть каналов непосредственного цифрового управления пу-

тем дублирования неисправных каналов соответствующими каналами настра-

иваемой модели.

     В адаптивных (настраиваемых) АСУТП,  построенных на базе адаптив-

ных систем с идентификатором,  используется настраиваемая модель  про-

цесса  и  идентификатор  статических или динамических характеристик по

каналу основного возмущения.

     В инвариантных  адаптивных системах с эталонной моделью использу-

ется идентификатор динамических характеристик объекта по каналу управ-

ления,  работающий в реальном масштабе времени, а устройство адаптации

может работать как в реальном масштабе времени,  так и в супервизорном

режиме.

     Идентификатор необходим для работы оптимальных систем  управления

нестационарными динамическими технологическими процессами,  использую-

щими наблюдателей состояния.  В этих системах можно  применять  оценки

фазовых координат объекта, получаемые с помощью наблюдателя состояния,

для идентификации параметров объекта управления.

     Рассмотрим требования,  которым должны удовлетворять все рассмот-

                                - 65 -

ренные применения идентификатора.  Идентификатор должен давать  точные

оценки параметров в установившемся режиме,  хотя требования к точности

идентификации сильно отличаются в зависимости от степени влияния пара-

метра на величину оптимизируемого функционала.

     С этой точки зрения,  высокая точность идентификации требуется  в

задачах  статической оптимизации с использованием прогнозирующей моде-

ли. Ясно, что параметры, слабо влияющие на качество адаптивного управ-

ления,  можно  не идентифицировать,  что позволяет упростить структуру

настраиваемой модели и алгоритмы идентификации.

     Важную роль в эффективной работе адаптивных АСУТП играет точность

оценок параметров при наличии помех как на входе объекта, так и на его

выходе.  Как  показано  ниже,  не все алгоритмы идентификации обладают

одинаковой точностью при обработке данных,  искаженных шумами  измере-

ний.

     Алгоритмы идентификации отличаются и по характеру сходимости оце-

нок параметров.  Большое число методов,  дающих хорошие результаты при

достаточно малых отклонениях начальных значений параметров от истинных

значений,  не обеспечивает сходимости оценок при больших начальных па-

раметрических рассогласованиях.  Это тем более важно,  что не во  всех

указанных  применениях  идентификатора  можно использовать такой прием

улучшения сходимости алгоритмов идентификации,  как повторная прогонка

массива  обрабатываемых данных с начальными условиями,  полученными на

предшествующем цикле.

     Теория идентификации еще не достигла такой степени развития,  ко-

торая позволяет считать ее достаточно завершенной. Методы теории иден-

тификации довольно сложны,  и многие проблемы требуют решения.  Многие

методы исследования имеют свои ограничения,  что заставляет в практике

проектирования  адаптивных  систем  управления использовать комбинацию

различных методов, изложенных ниже.

     При идентификации статических технологических процессов использу-

ются регрессионные методы идентификации (см. предыдущий раздел в части

регрессионных моделей АСУТП).  Суть метода заключается  в  определении

коэффициентов  уравнения  регрессии с использованием метода наименьших

квадратов.  Запишем  уравнение  (64)  предыдущего   раздела   в   виде

 7S 0[y^ 4i 0-f^(x 4i 0,a 41 0,...,a 4k 0)] 52 0=min  (66).  Для его решения продифференцируем

левую часть по а 41 0,...,а 4k 0 и приравняем производные нулю:

 7(S 0[y 4i 0^-f^(x 4i 0,a 41 0,...,a 4k 0)](df/da 41 0)=0

 7* 0.................................

 79S 0[y 4i 0^-f^(x 4i 0,a 41 0,...,a 4k 0)](df^/da 4k 0)=0 (67).

Где (df^/da 4j 0)=f'(x 4i 0,a 41 0,...,a 4k 0) - значение производной  функции  f^  по

параметру a 4j 0 в точке x 4i 0.  Искомые значения коэффициентов a 41 0,...,a 4k 0 на-

ходят из решения системы уравнений.

     Рекуррентные методы   идентификации  статических  технологических

процессов.  Рассмотренная выше идентификация обладает тем недостатком,

что при появлении новых экспериментальных данных оказывается необходи-

мым заново решать систему уравнений.  Этого недостатка можно избежать,

если  использовать  рекуррентные (последовательные) методы идентифика-

ции.  Суть метода заключается в том, что определяется рекуррентный ал-

горитм  нахождения  наилучшей  оценки вектора неизвестных параметров в

момент времени t 4n+1 0 по новым наблюдениям  x 41 0(t 4n+1 0),...,x 4k 0(t 4n+1 0)  и  по

оценке,  найденной для предыдущего момента времени. Такие рекуррентные

алгоритмы называются  алгоритмами  стохастической  аппроксимации.  Его

суть заключается в том, что на каждом шаге изменение вектора оценивае-

мых параметров производится таким образом,  чтобы за счет  поступления

новых  экспериментальных данных улучшить прогнозирующее свойство моде-

ли.

         2.9. Надежность  технологических  систем. Надежность

                                - 66 -

                 управления технологической системой.

     Теория надежности изучает процессы возникновения отказов объектов

и способы борьбы с отказами. Для удобства решения задач часто различа-

ют  два вида объектов:  элементы и системы.  Система предназначена для

самостоятельного выполнения определенной практической задачи.  Элемент

является составной частью системы. В принципе систему можно разбить на

любое число элементов,  необходимое для исследования надежности. Одна-

ко,  деление  системы на элементы нельзя считать произвольным.  Каждый

элемент должен обладать способностью выполнять в системе  определенные

функции и деление системы на элементы должно быть удобным для последу-

ющего использования.

     Различают два состояния объектов:  работоспособное и неработоспо-

собное. Работоспособным называется состояние объекта, при котором зна-

чения всех параметров,  характеризующих способность выполнять заданные

функции,  соответствуют  требованиям  нормативно-технической  и  (или)

конструкторской документации.  Состояние объекта, при котором значение

хотя  бы одного параметра,  характеризующего способность выполнять за-

данные функции,  не соответствуют требованиям нормативно-технической и

(или) конструкторской документации, называют неработоспособным.

     Отказ - событие,  заключающееся в нарушении работоспособного сос-

тояния объекта,  т.е. в переходе в неработоспособное состояние. Обычно

неработоспособным называют состояние объекта,  при котором нельзя  его

применять. Однако возможны задачи, в которых неработоспособным считают

состояние объекта,  при котором он не может продолжать выполнять  свое

назначение.  Поэтому  при  оценке надежности необходимо заранее огово-

рить, какое состояние объекта считается  неработоспособным,  поскольку

это зависит от назначения данного объекта.  Например, если погрешность

измерительного прибора больше,  чем требуется для применения в  данном

технологическом процессе, то его считают неработоспособным, однако его

можно применять в другом процессе с более низкими требованиями.

     Когда объект предназначен для выполнения нескольких функций, час-

то находят значения показателей надежности по каждой функции. Возможен

и  другой путь:  оценивают свойство объекта выполнять все требуемые от

него функции.  Отказом считается невыполнение хотя бы одной из функций

независимо от того, возникла ли ситуация, в которой требуется выполне-

ние этой функции.

     Отказы можно различать по нескольким признакам.

     1. По характеру устранения - окончательные (устойчивые) и переме-

жающиеся (то возникающие,  то исчезающие) отказы. Окончательные отказы

являются следствием необратимых процессов в деталях и материалах.  При

окончательных отказах для восстановления работоспособности объекта не-

обходимо производить его ремонт (регулировку). Перемежающиеся отказы в

большинстве случаев являются следствием обратимых случайных  изменений

режимов работы и параметров объектов.  При возвращении режима работы в

допустимые пределы объект  сам,  обычно  без  вмешательства  человека,

возвращается в работоспособное состояние. Таким образом, перемежающие-

ся отказы существенно отличаются от окончательных причиной возникнове-

ния,  внешними проявлениями и последствиями появления.  Поэтому иногда

целесообразно различать два показателя надежности:  для  окончательных

отказов и для перемежающихся.

     2. По связи с другими отказами - первичные, т.е. возникшие по лю-

бым причинам, кроме действия отказа, и вторичные, т.е. возникшие в ре-

зультате другого отказа.  Например,  из-за пробоя  конденсатора  может

сгореть резистор.  При вычислении показателей надежности обычно учиты-

ваются лишь первичные отказы.  Отказы являются  случайными  событиями,

которые могут быть независимыми или зависимыми.  Отказы являются зави-

симыми,  если при появлении одного из них изменяется вероятность появ-

                                - 67 -

ления  второго  отказа.  Для независимых отказов вероятность появления

одного из них не зависит от того,  произошли другие отказы или нет.

     3. По  легкости обнаружения отказы могут быть очевидными (явными)

или скрытыми (неявными).

     4. Для каждого определенного типа объектов отказы можно различать

по внешним проявлениям. Например, различные отказы конденсаторов можно

разбить на две группы: типа "обрыв" или типа "замыкание".

     5. По характеру возникновения можно различать  отказы  внезапные,

состоящие  в  резком,  практически  мгновенном изменении характеристик

объектов,  и отказы постепенные, происходящие из-за медленного, посте-

пенного ухудшения качества объектов.  Рассмотрим более подробно харак-

тер возникновения отказов.  Внезапные отказы обычно проявляются в виде

механических повреждений элементов (поломок,  трещин,  обрывов, пробоя

изоляции и т.п.),  из-за чего эти отказы часто называют грубыми.  Вне-

запные отказы получили свое название из-за того, что обычно отсутству-

ют видимые признаки их приближения,  т.е. перед отказом обычно не уда-

ется обнаружить количественные изменения характеристик объекта. Посте-

пенные отказы (параметрические,  плавные) связаны с  износом  деталей,

старением материалов и разрегулированием устройств.  Параметры объекта

могут достигнуть критических значений,  при которых его состояние счи-

тается  неработоспособным.  Внезапный  отказ  объекта  также  является

следствием накопления необратимых изменений материалов.  Внезапным от-

каз кажется потому,  что не контролируется изменяющийся параметр,  при

критическом значении которого наступает отказ объекта,  обычно связан-

ный с его механическим повреждением.

     Для объектов разного назначения и устройства применяются  различ-

ные  показатели  надежности.  В  настоящее время можно выделить четыре

группы технических объектов,  различающиеся  показателями  и  методами

оценки надежности:

     1. невосстанавливаемые объекты,  применяемые  до  первого  отказа

(резистор,  конденсатор);

     2. восстанавливаемые вне процесса применения объекты (автопилот);

     3. восстанавливаемые  в процессе применения объекты,  для которых

недопустимы перерывы в работе (резервированная линия связи);

     4. восстанавливаемые  в процессе применения объекты,  для которых

допустимы кратковременные перерывы в работе (робот, станок).

      2.9.1. Показатели надежности невосстанавливаемых объектов.

     Для оценки надежности невосстанавливаемых объектов используют ве-

роятностные характеристики случайной величины - наработки Т объекта от

начала его эксплуатации до первого  отказа.  Под  наработкой  понимают

продолжительность или объем работы объекта, измеряемые в часах, циклах

или других единицах. Когда наработку на отказ выражают в единицах вре-

мени, иногда используют термин "время безотказной работы", или, что то

же самое, "время до появления отказа".

     Полной характеристикой любой случайной величины является ее закон

распределения,  т.е. соотношение между возможными значениями случайной

величины и соответствующими этим значениям вероятностям. Распределение

наработки до отказа может быть описано с помощью различных показателей

надежности  невосстанавливаемых  объектов:  функция  надежности  p(t),

плотность распределения наработки до отказа f(t),  интенсивность отка-

зов l(t).

     Функцией надежности называют функцию,  выражающую вероятность то-

го,  что Т - случайная наработка до отказа - будет не  менее  заданной

наработки  (0,t),   отсчитываемой   от   начала   эксплуатации,  т.е.

p(t)=P{T 7. 0t}. Перечислим некоторые очевидные свойства p(t):

     1. p(0)=1,  т.е.  можно рассматривать безотказную работу лишь тех

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22