КОНЦЕПЦІЯ ПРОГРАМНО-ТЕХНІЧНОГО КОМПЛЕКСУ ДІАГНОСТИКИ ТА КЕРУВАННЯ НЕЛІНІЙНИМИ НЕСТАЦІОНАРНИМИ ОБ’ЄКТАМИ



БІДЮК П.І., ПИСАРЕНКО А.В. The basic approach to solving the problem of automatic or automated control and diagnosis of complex non-stationary systems under conditions of uncertainty is considered.

УДК 681.518.5

Сучасний стан розвитку технічних систем висуває високі вимоги до надійності та якості систем керування, що є частиною технологічних процесів, об’єктів транспорту, машинобудування тощо. Відсутність інструментів, що гарантують забезпечення високої надійності та сталих показників якості у складі систем керування призводить до зниження їх споживчих властивостей, продуктивності суттєвого та зростання ризиків економічних втрат.

Рис. 1. Підходи до забезпечення заданих показників якості систем керування

Проблема забезпечення заданих показників якості автоматичного та напівавтоматичного керування в умовах наявності невизначеностей технічного середовища відома і є одним із основних напрямів розвитку сучасної теорії керування. Вирішенню вказаної проблеми за останні роки присвячено великий об’єм публікацій, що спираються на такі загальносистемні підходи як: робастність, оптимальність, адаптивність, функціональна повнота (рис. 1).

Аналізуючи відомі запропоновані підходи, можна спостерігати значне зростання математичної складності опису підсистем обробки даних, об’єктів керування і регуляторів що призводить до необхідності збільшення функціональних та обчислювальних можливостей компонентів систем керування та їх віддаленість від поняття “реального часу”. Тому для подолання вказаних складностей видається перспективною ідея інтегрування класичних підходів до синтезу систем керування з методами штучного інтелекту або інтелектуальним аналізом даних, які знаходять все ширше застосування у системах підтримки прийняття рішень, системах керування і т. ін. (рис. 2). Розроблення теоретичних основ і відповідного програмно-апаратного комплексу, що дасть можливість забезпечити задані показники якості функціонування системи, своєчасне інформування та/або налаштування компонентів системи у випадку непередбачуваних подій засобами автоматичної діагностики є, на сьогодні, актуальною та перспективною задачею.

Рис. 2. Інтегрування в одній системі «класики» та штучного інтелекту

Загальна концепція такого комплексу представлена на рис. 3. Ідея запропонованого рішення полягає у розробленні моделей, методів та засобів оптимального адаптивного керування та діагностики поведінки об’єкта керування на основі методів інтелектуального аналізу даних. Це дасть можливість оптимально оцінювати, на основі виміряних сигналів на входах та виходах об’єкта, його поточний стан, виявляти та локалізувати місця відмов компонентів, оперативно підлаштовувати систему до нових умов функціонування за наявності впливу випадкових зовнішніх збурень і похибок (шумів) вимірів.

Рис. 3. Концепція програмно-апаратного комплексу керування та діагностики складними об'єктами

Розроблення систем керування, а також їх функціонування у реальному часі пов’язані з необхідністю врахування таких невизначеностей: невизначеності вимірювальних даних, невизначеності структури і параметрів математичних моделей, що використовуються для синтезу керуючих впливів, невизначеності (похибки) обчислювальних процедур та невизначеності, пов’язані з функціонуванням апаратних складових систем керування.

Невизначеності вимірів зумовлені наявністю похибок (шумів) вимірів, можливими пропусками вимірів внаслідок технічних причин, а також низькою інформативністю вимірів внаслідок їх слабких змін на окремих часових інтервалах. Для аналізу наявності та заповнення пропусків існують спеціальні алгоритми, які забезпечують належну якість згенерованих оцінок пропусків. Для боротьби з шумами вимірів застосовують належно спроектовані цифрові та/або оптимальні фільтри. Особливо корисними є оптимальні фільтри, за допомогою яких можна розв’язувати задачі згладжування вимірів, оцінювання пропусків та невимірюваних змінних, виконувати короткострокове прогнозування змінних вектора стану, оцінювати деякі параметри математичної моделі об’єкта, а також аналізувати поточний стан об’єкта керування з метою його діагностики у реальному часі.

Для ідентифікації можливих невизначеностей структури і параметрів моделі введемо поняття структури математичної моделі об’єкта керування. Структура математичної моделі об’єкта керування складається з таких елементів: розмірність моделі (кількість рівнянь, що утворюють модель); порядок моделі – максимальний порядок диференціальних або різницевих рівнянь, що входять у модель; затримка реакції по входу та її оцінка; нелінійності та їх тип; зовнішні випадкові збурення і тип щільності їх розподілу. Формально це можна записати так [1]:

\[S\,\,=\,\,\{\,m,\,\,p,\,\,d,\,\,n,\,\,w\,\},\]

де $m\,\,-$ розмірність моделі; $p\,\,-$ порядок моделі; $d\,\,-$ час затримки по входу; $n\,\,-$ нелінійність та її тип; $w\,\,-$ зовнішні збурення і тип їх розподілу.

Структурно-параметричні невизначеності моделі також пов’язані із низькою якістю даних і недостатньою визначеністю фактичної структури самого об’єкта керування. Структура і параметри об’єкта можуть змінюватись у часі внаслідок зовнішніх та внутрішніх впливів. Внутрішні збурення виникають внаслідок виникнення розладів технологічного обладнання, помилками персоналу, відмовами локальних керуючих систем та некоректними тактичними рішеннями. Основним методом боротьби із невизначеностями структурно-параметричного типу є адаптація структури і параметрів математичної моделі об’єкта до перемінних умов його функціонування. Ідентифікація та врахування невизначеностей вказаних типів дасть можливість проектувати системи керування високого ступеня надійності та реалізувати функції діагностики в реальному часі.

Перелік посилань

$1.$ Бідюк П.І., Романенко В.Д., Тимощук О.Л. Аналіз часових рядів. – Київ: Політехніка, 2013. – 600 с.

Jun 17, 2016