Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Оптимальное управление нестационарным объектом с распределенными параметрами и подвижным воздействием

Диссертация: Оптимальное управление нестационарным объектом с распределенными параметрами и подвижным воздействием
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Основываясь на результатах решения поставленных задач, можно выделить следующие положения работы, содержащие научную новизну: получена формализованная математическая модель, описывающая процессы в распределенном объекте с учетом нестационарности трехмерной пространственной области определения состояния при нестационарном распределении управляющего воздействияна базе сочетания метода дробных шагов… Читать ещё >

Содержание

  • 1. Постановка задачи оптимального нагрева объекта с изменяющейся формой и подвижным воздействием
    • 1. 1. Анализ работ по исследованию процессов с комплексным воздействием на объект нагрева
    • 1. 2. Постановка краевой задачи для объекта нагрева с изменяющейся формой и подвижным воздействием
    • 1. 3. Обобщенная постановка задачи оптимального управления для исследуемого класса объектов
  • 1. АРезультаты и
  • выводы
  • 2. Разработка и исследование цифровой модрзш распределённого объекта с изменяющейся формой и подвижным воздействием
    • 2. 1. Анализ программного обеспечения для численного решения краевых задач теплопроводности подвижных объектов
    • 2. 2. Построение алгоритма численного моделирования процесса
    • 2. 3. Разработка программного обеспечения для реализации алгоритма моделирования
    • 2. 4. Исследование характеристик и свойств алгоритма численного моделирования
    • 2. 5. Параметрическая идентификация модели
    • 2. 6. Результаты и
  • выводы
  • 3. Численное решение задачи оптимального управления распределенным объектом с изменяющейся формой и подвижным воздействием
    • 3. 1. Анализ работ по оптимизации объектов с распределенными параметрами и подвижным воздействием
    • 3. 2. Разработка методики определения оптимальных управлений распределенным объектом на базе методов динамической оптимизации
    • 3. 3. Исследование сходимости алгоритмов решения ЗОУ на примере задачи точного нагрева объекта в форме кольца
    • 3. 4. Решение задачи оптимального управления технологическим процессом горячей раскатки изделий кольцевой формы
    • 3. 5. Разработка алгоритмов коррекции оптимального управления объектом в реальном времени
  • З.б.Результаты и
  • выводы
  • 4. Разработка системы управления процессом нагрева и термостатирования при раскатке кольцевых заготовок на основе встраиваемого контроллера
    • 4. 1. Функциональная схема системы и анализ аппаратных средств для ее реализации
    • 4. 2. Аппаратная реализация системы управления
    • 4. 3. Программная реализация алгоритма управления и исследование ачества системы
    • 4. 4. Результаты и
  • выводы

Оптимальное управление нестационарным объектом с распределенными параметрами и подвижным воздействием (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Диссертация посвящена решению задачи оптимального управления классом объектов с распределенными параметрами, характеризующихся нестационарной пространственной областью и наличием подвижного воздействия.

Актуальность темы

диссертации. Задачи управления объектами с распределенными параметрами начали интенсивно исследоваться в последние два-три десятилетия. Это вызвано в первую очередь разработкой и развитием новых технологий в области производства и обработки металлов. Характерной особенностью современных технологических процессов металлообработки является обеспечение с необходимой точностью требуемого термического режима на всех стадиях технологического цикла и воспроизводимость всего комплекса параметров процесса. Это требование может быть выполнено при обязательном соблюдении двух условий: должны быть определены оптимальные законы управления воздействием на всех этапах процесса, после чего эти законы управления в автоматическом режиме реализуются на технологическом объекте.

Спектр технологических процессов, связанных с нагревом изделий из металлов для их дальнейшей обработки, непрерывно дополняется новейшими технологиями. Специфика новых технологий, как правило, приводит к появлению новых характерных признаков, обосабливающих математическое описание объекта в некоторый подкласс в рамках общего класса объектов с распределенными параметрами (ОРП). В частности, к особому классу ОРП относятся объекты с подвижным воздействием. Подвижность, как свойство управления, возникает, когда источник воздействия перемещается в соответствии с некоторым законом по объему или в пределах поверхности объекта, либо в случае перемещения самого объекта относительно -^неподвижного источника воздействия. Наряду с этим возможна ситуация, когда объект на определенных этапах технологического цикла в процессе управления изменяет свои исходные пространственные параметры (геометрическую форму, размеры и т. д.). Характерным примером ОРП с нестационарными геометрическими параметрами и подвижным управляющим воздействием является процесс горячей раскатки металлических колец, применительно к которому в диссертации рассматривается постановка и решение задач оптимального управления состоянием объекта на всех технологических этапах. «.

Характерным для такого класса объектов можно считать наличие нескольких этапов технологической цепи. Задачи управления в этом случае формулируются относительно качества изделия на заключительной стадии процесса. При этом требуемое качество непосредственно связано с функцией состояния управляемого объекта на всех без исключения технологических этапах, которые характеризуются различными управляющими возможностями и условиями протекания процесса нагрева. Поскольку процесс разворачивается непрерывно во времени, то управление для каждого последующего этапа определяется функцией состояния объекта на момент завершения предыдущего этапа. Таким образом, к особенностям рассматриваемого класса ОРП вместе с подвижным характером управления и нестационарностью геометрических параметров можно отнести многомерность задачи оптимизации управления.

Отсутствие подходов к решению задач оптимального управления объектом такого класса в изученных в процессе работы источниках позволяет сформулировать цель диссертационной работы, которая заключается в разработке подходов и методики определения оптимальных параметров управляющих воздействий для объекта с распределенными параметрами в нестационарной пространственной области и в условиях подвижного характера воздействия. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи: формализация математического описания класса объектов и задач оптимального управления этими объектами;

I | разработка и исследование свойств вычислительных моделей, учитывающих специфические особенности рассматриваемого класса объектов и предназначенных в качестве инструментальных средств для решения задач оптимального управленияпроведение декомпозиции задачи управления многостадийным процессом в общей постановке и формализация отдельных частных задачразработка методов решения сформулированных задач оптимального управления и исследование сходимости алгоритмов определения оптимальных управляющих воздействий в зависимости от вида критерия и учитываемых ограниченийвыработка предложений и технических решений по реалицации оптимальных законов управления применительно к технологическому процессу горячей раскатки металлических колец.

Основываясь на результатах решения поставленных задач, можно выделить следующие положения работы, содержащие научную новизну: получена формализованная математическая модель, описывающая процессы в распределенном объекте с учетом нестационарности трехмерной пространственной области определения состояния при нестационарном распределении управляющего воздействияна базе сочетания метода дробных шагов и интегро-интерполяционного метода построена экономичная консервативная однородная разностная схема для численного решения трехмерной квазилинейной краевой задачи с нелинейными граничными условиями и учитывающая подвижный характер воздействия и наличие теплоисточников в зоне приложения деформирующего усилияпредложены модифицированные методы прогонки для решения разностных уравнений, сокращающие объем вычислений при реализации численной моделиразработана и исследована методика численного определения вида оптимального управления для задач приближения к требуемому состоянию, сочетающая преимущества методов динамической оптимизации и численных методов решения краевой задачи и учитывающая наличие ограничений на управляющее воздействие и фазовые переменные.

Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе состоит: в разработке пакета прикладных программ, предназначенного для решения комплекса задач исследования и оптимизации режимов индукционного нагрева металлических колец в процессе их раскатки, который может быть интегрирован в САПР процессов индукционных технологийна базе разработанных средств для конкретного объекта в классе двухинтервальных кусочно-постоянных функций проведен расчет оптимальных законов управления, предназначенных для реализации в системах управления технологическим процессомпроведены исследования влияния уровня мощности нагревателя на параметры оптимального управления и даны рекомендации по выбору предельного значения мощности, обеспечивающего наилучшую равномерность нагрева за минимальное времяпредложено техническое решение, на базе которого в комплексе с другими задачами АСУ ТП реализованы алгоритмы оптимального управления процессом раскатки металлических колец, включая возможность коррекции управления по сигналам измерения температуры и размера внешнего радиуса кольца.

Результаты диссертационной работы и основные положения, содержащиеся в ней, были представлены и обсуждены на представительных семинарах и конференциях, в том числе: на Всесоюзной научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологий в энергостроении», г. Иваново, 1989 г.- на Международном конкурсе молодых научных работников «Роботика-89», г. Созопол, Болгария, 1989 г.- на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы информатики, управления, радиоэлектроники и лазерной техники», г. Пушкино, СССР, 1989 г.- на Международном совещании по программированию и математическим методам решения физических задач, г. Дубна, 1993 г.- на Международных форумах информатизации МФИ-93, МФИ-97 «Информационные средства и технологии», г. Москва, 1993 г., 1997 г. на Пятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, г. Москва, 1999 г.

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, подготовлено и выпущено 5 научных отчетов.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. На основе анализа работ в области управления объектами с распределенными параметрами установлено, что для исследуемого класса объектов, специфика которого заключается в наличии подвижного воздействия и нестационарной области определения состояния, актуальной является разработка методики определения оптимальных управляющих воздействий, основанной на численных методах исследований.

2. Проведена формализация математического описания класса рассматриваемых объектов и задач управления этими объектами с учетом характерных особенностей объекта и реальных условий протекания технологических процессов.

3. На основе интегро-интерполяционного метода и метода дробных шагов получена экономичная консервативная, однородная трехмерная конечно-разностная схема, для реализации которой предложены модифицированные методы прогонки, повышающие показатели быстродействия цифровой модели.

4. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение в виде цифровой модели объекта управления, предназначенной в качестве инструментального средства для проведения комплексных исследований объекта и решения оптимизационных задач.

5. Разработана методика решения задач оптимального управления исследуемым классом объектов при условиях ограничений на управляющие и фазовые переменные, сочетающая преимущества методов динамической оптимизации и численных методов моделирования объекта и позволяющая определять оптимальные параметры управляющих воздействий в процессе одного вычислительного эксперимента на цифровой модели.

6. Проведены исследования сходимости процедур решения сформулированных задач оптимального управления в разных постановках и с применением разработанного подхода получены оптимальные законы управления индукционными нагревателями для процесса горячей раскатки изделий кольцевой формы.

7. Предложена техническое решение на базе встраиваемого промышленного контроллера системы управления индукционными нагревателями для процесса горячей раскатки кольцевых изделий, реализующей оптимальные законы управления. На основе проведенных лабораторных испытаний системы, даны рекомендации по применению ее на промышленных установках.

Заключение

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Ковка и штамповка: Справочник. В 4-х т./Ред. совет: Е. И. Семенов (пред.) и др., т.2. Горячая штамповка/ Под ред. Е. И. Семенова. — М.: Машиностроение, 1986.-592 с.
  2. Я.М. Технология кузнечно-штамповочного производства. М. Машиностроение, 1976.-560 с.
  3. Создание электропечей для новых прогрессивных технологий в электроугольной подотрасли МЭТП: Отчет/ ВНИИЭТО Руководитель
  4. Е.А. Фрейман, г. р. N 1 850 063 442, М.: 1986. 115с.
  5. George D. Pfaffmann, Cellitti R.A., Amateau M.F.Integrated precision aus- shaping and contour induction hardering of gears. // Industrial Heating.-1988.-August.-p.22−24.
  6. М.Б., Митрофанов B.E. Математическая модель процесса нагрева круглого слитка подвижным электронным лучом // Управление распределенными системами с подвижным воздействием. -М., 1979.-С.193−198.
  7. Дао Винь Куанг Разработка алгоритмических и программных средств для цифрового моделирования и оптимизации процесса нагрева объектов сложной структуры с учетом явления диффузии: Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук.-М., 1991.-20 с.
  8. Н.И., Тылкин М. А., Полухин, Васильев Д.И. Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением. М.: Высшая школа, 1973. — 631 с.
  9. Marczinski H.J., Siergiej J.M. The cost advantages of seamless ring rolling. //Presision Metal.- 1978.- № 4(36).- p.79,81−82.
  10. Ю.Колосков M.M., Сальников В. А., Прохорова E.A. Определение режимов раскатки и размера заготовок при ковке кольцевых поковок //Тр. ин-та/ЦНИИТМАШ.-1982.- № 173.-С.98-Т07.
  11. В.К., Пилипенко В. М. Исследование технологических параметров раскатки колец с внутренним желобом // Обработка металла давлением в машиностроении: Респ. Междувед. науч.-техн. сб.-Харьков: 1987.-вып. № 23.-С. 13−18.
  12. А.Г., Юдович С. З., Ольяк В. Д. Расчет температур в зоне интенсивных деформаций при осадке цилиндрических заготовок // Кузнечно-штамповочное производство.-1977.-№ 4.-С.23−25.
  13. Н.Н., Жорник В. И., Гимельфарб В. Н. Определение параметров индукционного нагрева деталей типа колец // Весщ АН БССР. Сер. ф1з.-тэхн. навук.-1984.-№ 2.- С.49−55.
  14. А.И., Брюханова E.H., Минов A.B. Распределение температур в кольцевой пластине переменной толщины с тепловой неоднородностью.-М., 1985.-14 с.-Деп. в ВИНИТИ 06.11.85, № 7764-В.
  15. М.Г. Аналитическое решение краевых задач теплообмена вращающихся цилиндров// Дифференциальные уравнения и их приложения: Сб. науч. тр.-Днепропетровск:1982.-С.З-6.
  16. A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.599с.
  17. Установки индукционного нагрева/ Под ред. Слухоцкого А. Е. Л.: Энергоиздат, Ленингр. отделение.-1981.-328 с.
  18. A.A. Теория разностных схем. М.: Наука, 1983.-616 с.
  19. В.К. Распределение источников тепла при зональном нагреве цилиндра // Применение токов высокой частоты в электротермии-Л.: Машиностроение, 1973.-С.20−25.
  20. В.Б. Цифровое моделирование и оптимизация индукционных нагревателей слитков из алюминиевых сплавов: Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук.-Л., 1978.-20 с.
  21. И.С., Демидович В. Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988.-280с.
  22. A.M. Индукционные плавильные печи.- М.: Энергия, 1967. -416 с.
  23. B.C., Казьмин В. Е. Использование цифровых моделей для автоматизированного проектирования индукционных нагревателейстальных заготовок // Изв. Вузов СССР. Электромеханика.-1984.-№ 9.-С.52−59.
  24. М.Б., Панасенко С. А. Оптимизация нагрева массивных тел внутренними источниками // Автоматика и телемеханика-1976.-№ 4.-С. 14−20.
  25. Ю.Н. Оптимальное проектирование и управление индукционным нагревателем непрерывного действия с дискретной выдачей заготовок широкой номенклатуры: Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук.-М., 1984.-24 с.
  26. Ю.В. Разработка имитационной модели и решение задач управления процессом нагрева подвижным источником: Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук.-М., 1986.-20 с.
  27. Каталог передвижной компьютерной выставки программных комплексов «Тепломассобмен Термопрочность — Экология» — М. Ассоциация «Термоинформатика», 1992. — 48с.
  28. Proceeding of the International Induction Heating Seminar (IHS-98), Padua, May, 1998- Padua, SGEditoriali-578 p.
  29. Nemkov V. Role of computer simulation in induction heating technique// Proc. of the International Induction Heating Seminar (IHS-98), Padua, — 1998.-p.301−308.
  30. V. Demidovich, F. Chmilenko, J. Nelson, P. Debski. Simulation of continuous thermal processing of slabs// Proc. of the International Induction Heating Seminar (IHS-98), Padua, 1998.- p.79−86.
  31. А.П. Заморин и др. Вычислительные машины, системы, комплексы: Справочник/ А. П. Заморин, A.A. Мячев, Ю.П.Селиванов- Под ред. Б. Н. Наумова, В. В. Пржиялковского.- М.: Энергоатомиздат, 1985.264 с.
  32. М.П. Электрическое моделирование нестационарных процессов теплообмена.М.: Энергия, 1974.-415 с.
  33. H.H. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики. Новосибирск: Наука, 1967. -195 с.
  34. И.В. Компьютерное моделирование нелинейного параболического объекта при подвижном источнике и изменяющейся геометрии области //Тр. ин-та/Моск. энерг. инст.-М., 1991.-Вып.651. С.32−39.
  35. Теплофизические свойства титана и его сплавов: Справочник/ В. Э. Полецкий, В. Я. Чеховский.- М. Металлургия, 1985.- 102 с.
  36. В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: Справочник- М.: Металлургия, 1989.-383 с.
  37. И.В. Трехмерная цифровая модель процесса нагрева неоднородного объекта прямоугольной формы // Тр. ин-та /Моск. энерг. инст.-М., 1988.-Вып. 194.-С.25−32.
  38. Разработка программных комплексов для моделирования неоднородных объектов нагрева сложной геометрической формы: Отчет о НИР (заключит.)/МЭИ №ГР1 880 081 792- Инв. № 02.10 017 331, М., 1990.-57с.
  39. А.Г., Чубаров Е. П. Системы с подвижным воздействием- новый класс систем управления с распределенными параметрами лучом // Управление распределенными системами с подвижным воздействием. М., 1979.-С.З-8.
  40. Е.П. Управление системами с подвижными источниками воздействия. М.:Энергоатомиздат, 1985.-290 с.
  41. Е.П. Контроль и регулирование с подвижным локальным воздействием . М.:Энергия, 1977.- с.
  42. В.А. Об оптимальном управлении системами с подвижным воздействием // Управление распределенными системами с подвижным воздействием. М., 1979.-С.41−46.
  43. А.Г., Пустыльников Л. М. Теория подвижного управления системами с распределенными параметрами.- М.:Наука, 1980.384 с.
  44. Л.М. Нелинейная проблема моментов в задачах подвижного управления //Управление распределенными системами с подвижным воздействием. М., 1979.-С. 17−28.
  45. М.Б., Митрофанов В. Е. Оптимизация управления подвижным источником нагрева на базе численных методов //Известия вузов. Приборостроение 1984.-№ 12.- С.73−79.
  46. В.Ю. Оптимизация и моделирование нелинейных распределенных объектов нагрева с подвижным воздействием : Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук.-М., 1990.-20 с.
  47. М.Б. Квазиоптимальный режим при нагреве движущихся заготовок большой длины. Устройства и системы контроля иуправления промышленными объектами: Труды МЭИ: 1987.- Вып. № 23.-С. 13−18.
  48. М.Б., Пихлецкий В. В. Оптимизация режима включения многосекционного нагревателя на основе цифрового моделирования // Тр. ин-та /Моск. энерг. инст.-М., 1988.-Вып.194.-С.5−12.
  49. Э.Я. Задача равномерного приближения при оптимизации распределенной системы, описываемой уравнением параболического типа // Сиб. мат. журн.- 1982.- Т.23.- № 5.- С.168−191.
  50. Н.В., Бажанов B.JI. Оптимальное управление температурным полем быстродвижущегося теплового объекта. //Управление распределенными системами с подвижным воздействием. -М., 1979.-С.71−81.
  51. Л.С., Болтянский В. Г., Гамкрелидзе Р. В., Мищенко Е. Ф. Математическая теория оптимальных процессов. -М.: Физматгиз, 1961.
  52. РойтенбергЯ.Н. Автоматическое управление. М.: Наука, 1978.
  53. Н.В., Чертков Б. З., Михеев Ю.В.Математические модели подвижных температурных полей концентрированных источников энергии. //Управление распределенными системами с подвижным воздействием. М., 1979.-С. 142−162.
  54. А. Системы оптимального управления: Возмущения, приближения и анализ чувствительности. Пер. с англ. М.: Мир. 1987. -156с.
  55. E.H., Юсупов P.M. Чувствительность систем управления. М.: Наука. 1981.
  56. М.Б., Чугуев И. В. Получение оптимального температурного распределения в раскатываемых кольцах с помощью индукционного подогрева // Электричество. 1991. № 10 -С.74−76.
  57. Разработка и исследование цифровой модели и синтез функциональной схемы системы управления для процесса подогрева кольцевых заготовок во время их раскатки: Отчет о НИР (промежуточ.) /МЭИ.- № г. р.У44 745- Инв. №Е66 050.-М., 1988.-91 с.
  58. Разработка и исследование системы управления процессом подогрева кольцевых заготовок во время раскатки на бвзе микропроцессорных средств: Отчет о НИР (заключит.) /МЭИ.- № ГРУ44 745- Инв. №Е70 187.-М., 1989.-55 с.
  59. М.Б., Митрофанов В. Е., Пихлецкий В. В., Фролов М. А. Особенности аппаратной реализации системы автоматизации миниГЭС на основе встраиваемого компьютера //Международный форум иформатизации МФИ-97: Доклады международной конференции
  60. Информационные средства и технологии", В 3-х т.т., т.1, — М: Изд-во «Станкин», 1997.- С.225−230.
  61. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник в 2 т. /Б.Б.Абрайтис, Н. Н. Аверьянов, А. И. Белоус и др., т.1/ Под ред. В. А. Шахнова М.:Радио и связь, 1988.- 368с.
  62. Embedded industrial PCs: expandable systems, demanding applications, single board solutions: Catalog No. 4850/ Octagon Systems Corporation. Printed in USA 4/97
  63. Все необходимое для индустриальных, бортовых и встроенных систем управления, контроля и сбора данных: Каталог № 2 фирмы «Прософт» М.: фирма «Прософт», 1997
  64. В.И., Самченко Г. П. Агрегатный комплекс стационарных пирометрических преобразователей и пирометров излучения АПИР-С//Приборы и системы.- 1980.-№ 5.-С.13−17.
  65. LEM Module. Current and Voltage Sensors. Descriptions and Applications. Summary, Report No. 413 LEMsa, 1985 — 28p.
  66. Catalog 7. Grayhill Control products, Revised 1094 Grayhill, Inc., 1994−82p.
  67. CAMBASIC V/ Programming Guide/ Doc. #3922, Rev. 1294 -Octagon Systems Corporation.
  68. Машина ABK-31. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ПТ3.033.020 ТО. -1988 79с.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?