Державний комітет зв’язку та інформатизації України

Національна академія наук України

Державний науково-дослідний інститут

інформаційної інфраструктури

На правах рукопису

МЕДИКОВСЬКИЙ МИКОЛА ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК

ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ СИНТЕЗУ АВТОМАТИЗОВАНИХ СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ ЕНЕРГОАКТИВНИМИ ОБ’ЄКТАМИ

05.13.06 — Автоматизовані системи управління

та прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів — 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному науково-дослідному інституті інформаційної

інфраструктури Державного комітету зв’язку та інформатизації і

Національної академії наук України, м. Львів

Науковий консультант: доктор технічних наук, старший науковий співробітник,

Сікора Любомир Степанович, Державний науково-дослідний інститут інформаційної інфраструктури м.Львів, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України,

Кожем’яко Володимир Прокопович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри лазерної та оптоелектронної техніки

доктор технічних наук, професор, Коростіль Юрій Мирославович,

Інститут проблем моделювання в енергетиці НАН України, завідувач відділу

доктор технічних наук, професор, Тимченко Олександр Володимирович,

Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри телекомунікацій

Провідна установа:

Одеський національний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра автоматизації теплоенергетичних процесів

Захист відбудеться “08” червня 2004р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.813.01 в Державному науково-дослідному інституті інформаційної інфраструктури Державного комітету зв’язку та інформатизації і Національної академії наук України (79601, Львів, МСП, вул. Тролейбусна, 11).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного НДІ інформаційної інфраструктури (Львів, вул. Тролейбусна, 11).

Автореферат розісланий “ 07 ” травня 2004р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Бунь Р.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Сучасні системи автоматичного керування, як правило, забезпечують ефективне функціонування технічних комплексів, що широко використовують різні види енергетичних та матеріальних ресурсів, які динамічно взаємодіють в елементах структури, є носіями відомостей, спричинюючи, водночас, збурення технологічного процесу. Разом із зовнішніми впливами такі збурення зумовлюють стохастичні зміни параметрів процесу, є джерелами завад та шумів для інформаційно-вимірювальних систем, а це суттєво ускладнює процес спостереження об’єкта, знижує ефективність функціонування автоматизованих систем управління технологічними процесами (АСУ ТП) і може привести до аварійних ситуацій.

Особливо актуальною стає така проблема, якщо у виробничих структурах функціонують хімічні реактори, енергогенеруючі або біотехнологічні установки, тобто, енергоактивні об’єкти (ЕАО), де в процесі енерго-масообміну формуються нові властивості продукції. Це відбувається, як правило, під час перебігу термодинамічних процесів таких як, плавлення, випаровування, сублімації, конденсації, реакцій окислення, відновлення, для яких характерним є високотемпературне агресивне середовище та динамічні зміни, розподілених у просторі структури об’єкта, параметрів потоків матеріальних і енергетичних ресурсів. У даному випадку енерго-масообмін є розподіленим за способом організації, відбувається при безпосередній взаємодії між його складовими та під впливом зовнішнього середовища. В різних фазах цей процес може бути як екзотермічним, так і ендотермічним, а нерідко такі явища відбуваються одночасно, чим зумовлюють різкі динамічні зміни потоків ресурсів на межі розділу агрегатних станів, з елементами стохастичності параметрів.

Узагальнення концепції Л.Піана, П.А.Іонкіна про електромагнітні потоки енергії на об’єкти з енергетичними перетвореннями неоднакової фізичної природи дає підстави об’єднати їх в один клас енергоактивних. Іншою вагомою обставиною для виділення такого класу є той факт, що без нормованого енергетичного впливу перебіг технологічних процесів у ЕАО є неефективним або неможливим взагалі. Разом з тим, суттєвою стороною активності об’єктів автоматичного управління необхідно вважати присутність активної цілеспрямованої поведінки. Головним сенсом функціонування активної системи повинна бути властивість формування дій, на основі прогнозу можливих ситуацій, скерованих на досягнення мети.

Відомі результати аналізу і синтезу АСУ ТП наукових шкіл
О.Г. Івахненка (індуктивний метод самоорганізації складних систем, теорія прийняття рішень в умовах невизначеності), В.М.Кунцевича (синтез оптимальних і адаптивних систем, робастна стійкість систем), Е.Г.Петрова (методи багатокритеріальної оптимізації, моделі багатофакторного оцінювання), Ю.К.Тодорцева (моделювання режимів і координаційне управління енергоблоками), використання яких є перспективним для автоматизації. Але реальні можливості скористатися ними обмежені через відсутність єдиного системного підходу до вирішення проблеми в цілому. Ускладнюється ситуація також і через нечіткість і неповноту даних про динаміку об’єкта, наявність граничних умов різного роду на потоки енергетичних та матеріальних ресурсів, інформаційну неоднозначність ідентифікації взаємозв’язків і взаємодії між елементами виробничої системи. А без врахування специфіки взаємодії енергетичних і матеріальних потоків у ЕАО АСУ ТП не розв’язують проблеми гарантованого функціонування виробничих комплексів і безаварійного управління режимами.

Все це дає підстави вважати, що розроблення з використанням нового підходу, який базується на концепції енергоактивності об’єкта і може стати основою застосування інформаційних технологій, методів і стратегій синтезу систем управління ЕАО, є гостро актуальною науково-технічною проблемою, вирішення якої сприятиме підвищенню ефективності виробництва та якості продукції, знизить ризик виникнення техногенних кризових або аварійних ситуацій.

На цій основі сформульовано важливу науково-прикладну проблему в галузі автоматизованих систем управління — розроблення концептуальних засад і науково обґрунтованих методів та інформаційних технологій синтезу автоматизованих систем управління енергоактивними об’єктами та засобів їх алгоритмічного і апаратного забезпечення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Результати, включені в дисертацію, отримано при виконанні держбюджетних тем та контрактів Державного НДІ інформаційної інфраструктури: “Інформаційний відеоскоп — високоефективна система відображення зображень реального світу різноманітної фізичної природи” та “Базові компоненти образного комп'ютера для швидкого адаптивного аналізу, розпізнавання, компресії, архівації та пошуку аудіовідео-інформації” (контракти №ОК-2001-21 та №ОК-2001-32 ДНТП "Образний комп'ютер", Постанова КМУ від 08.11.2000, № 1562, 2001р.) – розроблено інформаційні технології відображення стану об’єкта в умовах апріорної невизначеності параметрів та елементів його структури; „Фундаментальні основи синтезу багатовимірних нейромереж на базі універсальних нейронних елементів та нейроподібних систем" (контракт №Ф7/383-2001 з Міносвіти та науки України; 2001р.) – удосконалено методи застосування нейромережевих технологій у процедурах синтезу інформаційно-вимірювальних систем; „Створення інформаційно-аналітичної системи комплексного розвитку західного регіону України як одного з варіантів типової системи територіально-адміністративного управління" (контракт №202-18і/4-00 з Державним комітетом зв'язку та інформатизації України; 2000р.) – обгрунтовано логіко-математичні алгоритми моделювання траєкторій поведінки систем; "Розробка інформаційних технологій для відбору, обробки та представлення інформації економічного, соціально-політичного та еколого-природничого призначення з метою моделювання, прогнозування і прийняття рішень" (г/д № 1-7/3-97 від 1.07.97 з Національним агентством з питань інформатизації при Президентові України, 1997-1999р.р.) – розроблено алгоритми робастного оцінювання параметрів стану. А також в рамках ряду тем, що виконувалися згідно з науково-тематичними планами Львівського державного аграрного університету протягом 1991-2002 років.

Мета роботи полягає в розробленні концептуальних засад і науково обґрунтованих методів та інформаційних технологій аналізу й синтезу АСУ ЕАО в умовах дії збурень і обмеженості ресурсів, включаючи алгоритми формування інформації про стан об’єктів з елементами розмитості параметрів, що полягає у застосуванні нової інформаційно-енергетичної концепції активності об’єкта, інтервальних процедур опрацювання даних і забезпечує ефективне стійке управління виділеним класом об’єктів.

Досягнення мети здійснюється шляхом:

- обґрунтування інформаційно-енергетичної концепції аналізу динаміки енергоактивних об’єктів та ідентифікації їхньої структурної організації, створення моделей таких об’єктів;

- розроблення інформаційних технологій аналізу конфліктних енергоресурсних ситуацій у складних технологічних структурах за умов дії обмежень на ресурси;

- синтезу стратегії управління ЕАО в умовах апріорної невизначеності параметрів їх структури та режиму;

- розроблення та обгрунтування алгоритмів робастного оцінювання параметрів стану з використанням розмитих та інтервальних статистик і синтез команд управління та процедур для їхньої реалізації;

- обґрунтування інформаційної структури процедур формування ціле орієнтованих рішень в умовах обмеженості ресурсів;

- синтезу процедур розв’язання задач автоматичного управління енергоактивними об’єктами, які забезпечують умови гарантованого безаварійного функціонування;

- реалізації одержаних теоретичних результатів при розробленні та вдосконаленні алгоритмічного і апаратного забезпечення АСУ ЕАО, перевірки ефективності та стійкості управління.

Об’єкт дослідження — енергоактивні технологічні системи, які функціонують в умовах дії збурень неоднакової фізичної природи при обмеженнях на ресурси та за конфліктних ситуацій у процесі розподілу енергетичних і матеріальних потоків.

Предмет дослідження — інформаційні технології аналізу та синтезу структури і засобів створення систем управління енергоактивними об’єктами на підставі розвинутої дисертантом інформаційно-енергетичної концепції активності об’єкта управління.

Методи досліджень. Дослідження виконано шляхом конструктивного поєднання теоретичних методів із застосуванням математичного та комп’ютерного моделювання, а також експериментальних випробувань, проведених на стендах і дослідних зразках.

При моделюванні енерго-масообмінних процесів використано окремі положення математичної фізики, для моделювання просторово-часової динаміки ЕАО — методи теорії множин і математичної логіки, у процедурах синтезу й верифікації алгоритмів опрацювання даних та класифікації ситуацій — окремі положення теорії ймовірностей, точкового та інтервального оцінювання, при формуванні стратегій прийняття рішень, що забезпечують стійке управління технологічними процесами — методи системного аналізу.

Результати аналітичних досліджень перевірені експериментально на технологічних об’єктах скловарної промисловості, при дослідженнях структури і динаміки виробничих процесів в енергетиці та промисловості. Зіставлення результатів теоретичних і експериментальних досліджень підтверджує адекватність розроблених концепцій, стратегій, алгоритмів, моделей та принципів синтезу АСУ ЕАО і їх апаратної реалізації.

Наукова новизна результатів. В дисертаційній роботі розв’язано нову науково-прикладну проблему — розроблення концептуальних засад і науково обґрунтованих методів та інформаційних технологій синтезу систем автоматизованого управління ЕАО, які виділено як новий клас, що враховує їхні інформаційно-енергетичні характеристики. При цьому отримано такі нові наукові результати:

- сформульовано і обґрунтовано концепцію енергоактивного керованого об’єкта, в якому відбуваються енерго-масообмінні процеси неоднакової фізичної природи, які містять елементи як детермінованої, так і стохастичної організації, що дало можливість використати сучасні інформаційні технології для відображення динамічного стану досліджуваних складних систем, до яких входять ЕАО;

- розроблено комплексну структуру ієрархічної системи управління складним енергоактивним об’єктом, що обгрунтовує способи відбору інформації про стан таких об’єктів і синтез алгоритмів опрацювання даних з використанням інтервальних статистик і розмитих множин;

- розроблено нові інформаційні технології відображення стану об’єкта або технологічних ситуацій в умовах апріорної невизначеності параметрів та елементів структури під час функціонування, з використанням індикаторів стану, і процедур розбиття на класи цільового простору системи керування, які реалізовано в алгоритмах класифікації та прийняття керуючих рішень (дій) для розв’язання конфліктів;

- обгрунтовано логіко-математичну структуру алгоритмів моделювання траєкторій поведінки систем при дії завад, що відкрило можливість комплексного застосування методів класичної теорії управління, теорії прийняття рішень та інформаційних технологій у процедурах синтезу як локальних, так і глобальних систем управління;

- розроблено процедури класифікації ситуацій і прийняття рішень на управління в умовах дії обмежень на енергетичні та матеріальні ресурси при апріорній невизначеності параметрів потоків, які забезпечили створення апаратних засобів управління енергоактивними технологічними об’єктами;

- вперше розроблено методи комплексного синтезу систем керування ЕАО, для відображення стану цих об’єктів застосовано поняття цільового простору та інтервальних статистик, що дало можливість використати як класичні методи, так і методи сучасної теорії автоматичного управління.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені інформа-ційні технології аналізу динаміки енергоактивних систем та синтезу структури і стратегій автоматизованого управління технологічними процесами в них, які характеризуються високотемпературним агресивним середовищем зі стохастичними параметрами, дали можливість створити нові засоби контролю і управління та модернізувати існуючі для:

- ефективного управління енергетичними та матеріальними потоками технологічних процесів ЕАО;

- забезпечення інформаційної сумісності розроблених систем керування та виконавчих механізмів;

- забезпечення безаварійної роботи потужних ЕАО в умовах конфліктних ресурсних ситуацій.

Використання моделей об’єктів та сигналів, що відображають їх стан, дає змогу розробити із застосуванням інформаційних технологій достовірні системи збору та опрацювання технологічних даних.

Реалізація і впровадження результатів роботи. На основі розроб-лених інформаційних технологій аналізу і синтезу складних технологічних систем створено та захищено патентами України: струмознімальний пристрій для динамічних систем; регульована вітроустановка; вітряк, що містить енергетичний вузол генерації електроенергії; неповоротна вітроустановка (патенти).

Одержані результати використано:

– ДНДІ інформаційної інфраструктури при розробленні: інформаційних технологій відображення стану об’єкта в умовах апріорної невизначеності параметрів та елементів його структури; комплексної структури ієрархічної системи управління складним ЕАО; алгоритмів робастного оцінювання параметрів стану об’єкта; логіко-математичних алгоритмів моделювання траєкторій поведінки систем;

– Центром стратегічних досліджень екобіотехнічних систем при розробленні: стратегій робастного управління енергоактивними об’єктами технологічних систем із стохастичним характером структури та параметрів процесу в умовах їх апріорної невизначеності; спеціалізованих багато-канальних процесорів для управління потоками матеріальних ресурсів на основі вібраційних завантажувачів; процесорів управління потоками ресурсів на основі модифікації ПІД-регулятора; блоків узгодження ПІД-контролера з нелінійним вібраційним завантажувачем шихти; методоло-гічних основ створення баз даних і експертних систем як порадників технолога на основі інтегрованих комп'ютерних технологій;

– в ході виконання науково-дослідних робіт із створення високоефек-тивних методів та технічних засобів управління технологічними процесами ДАТ КБ “Дніпровське”; при виконанні науково-технічних програм з дослідження та оптимізації термо- та електродинамічних характеристик печі ДСП-1,5 на КВП “Дніпропетровський комбайновий завод”, для модернізації систем управління процесом скловаріння у скловарних печах АТ “Гостомельський склозавод”, ВАТ “Рокитнівський скляний завод”, ЗАТ “Костопільський завод скловиробів”.

Інформаційні технології стали теоретичною базою розроблення у Львівському державному аграрному університеті теоретичних засад сучасних інформаційних технологій для агропромислового комплексу та організаційно-методичного забезпечення науково-методичним центром аграрної освіти дисциплін “Комп’ютери та комп’ютерні технології”, “Інформатика та комп’ютерна техніка”, “Моделювання технологічних процесів”, “Автоматизація технологічних процесів”.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати і положення дисертаційної роботи представлялися, доповідалися та обговорювалися на таких конференціях: Міжн. наук.-практ. конф. “Управління енерговикористанням” (Львів, 1997); Межд. научн.-техн. конф. "Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники" (Россия, Егорьевск, 1997); Fifth International Conference "Pattern recognition and information processing" (Republic of Belarus, Minsk, 1999); Міжн. конф. “Автоматика” (Львів, 2000); Міжн. конф. з індуктивного моделювання (Львів, 2002); Межд. радиоэлектронный форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” (Харьков, 2002); Konferencja naukowo-techniczna "Bezpieczeсstwo informacji w systemach komputerowych" (Poland, Bielsko-Biaіa, 2002); ?іжн. конф. “Досвід розробки та застосування САПР в мікроелектроніці” - CADSM'2003 (Славсько, 2003); Наук. конф. “Неруйнівний контроль та діагностика неоднорідних об’єктів” (Львів, 2003); Sympozjum miкdzynarodowy “Techniczne, ekologiczne, ekonomiczne aspekty energetyki odnawialnej” (Poland, Warszawа, 2001); I Miedzynarodowa konferencja naukowo-techniczna “Problemy recyklingu” (Poland, Rogуw, 2001); ?іжн. наук.-практ. конф. “Нетрадиційні і поновлювані джерела енергії як альтернативні первинним джерелам енергії в регіоні” (Львів, 2001); Наук. конф. “Проблеми АПК України: стан і перспективи” (Львів, 1996); Міжн. наук.-практ. конф. “Теорія і практика розвитку агропромислового комплексу” (Львів, 1999); Міжн. наук.-практ. конф. “Соціально-економічні дослідження в перехідний період. Регіональна науково-технічна політика: інноваційний розвиток та інформаційний простір” (Львів, 2000); Міжн. конгрес “Проблеми інформатизації рекреаційної та туристичної діяльності в Україні: Перспективи культурного та економічного розвитку” (Трускавець, 2000); Межд. конф. “Роль аграрной информации в процессе европейской интеграции” (Киев, 2001); Наук.-метод. сем. “Комп'ютерні технології в організаційній, навчальній та методичній роботі вищих аграрних закладів освіти” (Миколаїв, 1999); Наук.-метод. сем. “Прикладні комп'ютерні програми для навчальної, методичної та організаційної роботи у вищих аграрних навчальних закладах III-IV рівнів акредитації” (Суми, 2001); наук. семінарах Державного науково-дослідного інституту інформаційної інфраструктури (1997-2004рр.); наук.-техн. конф. та семінарах Львівського державного аграрного університету (1990-2002рр.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано у 53 наукових працях. Основні з них: 3 монографії, 2 навчальних посібники, 23 статті в наукових фахових журналах та збірниках, 4 патенти України, 5 препринтів, 5 статей у збірниках праць конференцій.

Особистий внесок здобувача. Всі результати теоретичних та експериментальних досліджень, які містяться в дисертації, отримані автором особисто.

В працях, опублікованих у співавторстві, автору дисертацій належать: [2,4,6] — обгрунтування концепції енергоактивного об’єкта, моделей простору станів та динамічних характеристик на основі теорії розмитих множин Заде й інтервального оцінювання; [3] —алгоритми синтезу стратегій управління, методи проекції фазового простору і простору станів у цільовий; [8,10,13] — обгрунтування логіко-математичних процедур класифікації ситуацій в енергоактивних об’єктах; [17] — технологічне обґрунтування ритмічних режимів в енергоактивних об’єктах; [16,18,19] — концепції синтезу експертних систем для аналізу складних об’єктів; [22] — дослідження ефективності алгоритму функціонування, обгрунтування структури системи управління технологічним процесом; [23] — способи використання нейроструктур для побудови систем відбору та опрацювання даних в енергоактивних розподілених системах; [25,30–32] — дослідження режимів та параметрів, моделі вітроенергетичних установок для електропостачання енергоактивних об’єктів; [27,28] — обґрунтування динамічних режимів виконавчих механізмів, які функціонують у жорстких технологічних умовах; [29] — розроблення методики аналізу та реалізації динамічних режимів при передачі енергії у складних мережах; [33–37] — формулювання концепції енергоактивності, вибір моделей складних об’єктів, алгоритми оцінки стохастичних динамічних процесів у них, розроблення процедур формування рішень на основі модифікації рівняння Белмана-Кротова та ситуаційного управління; [38] —концепція інтервальної ідентифікації в умовах розмитості даних; [40] — дослідження та обґрунтування можливості використання інтервальних алгоритмів оцінювання в процедурах класифікації ситуацій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота викладена на 472 сторінках машинописного тексту, містить 282 основного тексту та список літератури із 560 найменувань на 40 сторінках, 3 таблиці, 97 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито суть і стан проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну, практичну значимість, подано короткі анотації розділів дисертації.

У першому розділі наведено результати аналізу проблеми синтезу систем управління складними об’єктами, виходячи з концепції енергетичної активності, яка покладена в основу вироблення нового підходу до аналізу динаміки технологічних об’єктів з використанням джерел енергії неоднакової фізичної природи та різного рівня інтенсивності енерго-масообміну при формуванні властивостей продукції.

Оптимальний алгоритм функціонування активної системи, за означенням Буркова В.М., визначається максимумом функціоналу затрат ресурсів, який задано на множині можливих алгоритмів. Але при цьому не повною мірою враховано енергоактивний характер об’єкта, який працює в умовах обмеженості ресурсів та апріорної невизначеності стохастичних параметрів режиму, що обгрунтовує необхідність розроблення нових методів аналізу та синтезу АСУ ЕАО.

Аналіз сучасних підходів щодо ідентифікації активних елементів технічних систем показує, що нерівністю строго визначено і математично описано поняття “пасивність”, де — енергія, підведена до об’єкта за період часу . Термін “активний” використовується в тому випадку, якщо елемент не задовольняє умову пасивності. Причому такі означення в літературі (Реза Ф., Сілі С., Бессонов Л.А., Селіванов М.П.) стосуються тільки одного виду енергії. Тому виникає потреба уточнення та доповнення ознак класу об’єктів управління, які за призначенням є енерготехнологічними, а у структурі мають елементи активні щодо енергії неоднакової природи.

Якщо розглядати проблему активності автоматизованого технологіч-ного процесу, то необхідно виділяти такі складові: енергетичну, ресурсну, інформаційну. Разом вони формують інформаційно-енергетичну концепцію активності об’єкта управління, яка полягає у:

- наявності в структурі об’єкта при його функціонуванні активних елементів щодо енергетичних потоків, їх взаємодії і перетворень;

- властивості формування і реалізації дій, спрямованих на досягнення мети, виходячи з оцінки, класифікації і прогнозу можливих ситуацій;

- цілеспрямованому використанні енергії неоднакової фізичної природи при формуванні нових якостей продукції в реакторі об’єкта.

Аналіз публікацій (Кафаров В.В., Тодорцев Ю.К., Пістун І.П.) показує, що об’єкти, віднесені до енергоактивних, характеризуються нелінійною стохастичною динамікою енерго-масообміну, розподіленою структурою джерел збурень і спільною зоною взаємодії (реактором, в якому формується продукція). Енергетична активність взаємодіючих потоків є джерелом збурень технологічного процесу, що зумовлює жорсткі вимоги до нормування ресурсів.

Сформульовано та обгрунтовано концепцію розв’язання енерго-конфлікту в розгалуженій слабоструктурованій мережі енергоактивного виробничого комплексу, виходячи з оцінки енергоактивності ресурсів, достатніх для протікання процесів на нижній межі енергозабезпечення. Ризик аварії при недостачі енергії для протікання технологічного процесу є підставою для оцінювання режимів гарантованого функціонування АСУ ЕАО. А функція ризику як одна із цільових функцій формується, виходячи з такої умови: , де – аварійні втрати при недостачі енергії; — інтервал часу спостереження; — функціонал виробничих втрат; – питомий коефіцієнт впливу недовідпуску енергії та відключеної потужності .

Розроблено моделі енергетичних характеристик потоків ресурсів в активних силових ланках та моделі потоків реагентів, які використано для дослідження енергетичних перетворень при формуванні продукції в складній технологічній системі. Умова балансу ресурсів в реакторі активної системи визначається рівнянням , а стан , де — оператор, який описує енергоресурсні перетворення в системі (об’єкті); — швидкості потоків вхідних ресурсів і вихідної продукції, — системне управління, —локальне управління ресурсами, — збурення в системі; — відхилення параметра траєкторії стану об’єкта; — початковий стан системи.

Використовуючи розвинуту Л.С.Сікорою концепцію інтелектуалізації системи керування, синтезовано структуру управління енергоактивною системою з джерелами енергії неоднакової фізичної природи й процесами її генерації як всередині, так і ззовні технологічної системи, сформовано модель простору станів її об’єктів. Обгрунтовано вибір енергетичних характеристик та сформовано індикатори ознак динамічних режимів, як основу процедури класифікації ситуації на базі моделі спостережуваності ЕАО. Розроблено методику інформаційного узгодження параметрів просторів стану компонент структури енергоактивної системи.

Структура ієрархічної системи управління ЕАО (скловарна піч) наведена на рис.1, де функціональні властивості та позначення елементів такі: ОУ — об’єкт управління енергоактивної технологічної системи; ІВС — інформаційно-вимірювальна система; ВМ — виконавчий механізм; ТП — технологічний процес.

Отже, в розділі обгрунтовано необхідність використання методів цілеорієнтованих систем, інформаційних та логіко-математичних технологій,

сучасних програмних і апаратних засобів для аналізу й синтезу систем керування складними ЕАО, а також методу оцінення їхньої інформаційної ефективності та достатності для реалізації безконфліктних стратегій управління. Одержані результати дали можливість розробити логічну структуру процедур прийняття рішень на управління в умовах апріорної невизначеності та розмитості параметрів структури і потоків ресурсів.

У другому розділі, з урахуванням підходів Ю.М.Коростіля, Л.С.Сікори щодо логіки управління в умовах невизначеності, виходячи з експериментальних характеристик ЕАО, досліджено стохастичну динаміку складних процесів та об’єктів в структурі енергоактивних систем для задач управління. Показано, що функції правдоподібності і розмитості значень параметрів на інтервалах допустимих станів є динамічними індикаторами ситуації в об’єкті керування за умов перерозподілу (конфлікту) ресурсів у системі технологічних об’єктів. Це дає можливість ефективно використати теорію інтервальних статистик та розмитих множин для розробки процедур класифікації ситуацій і синтезу алгоритму розпізнавання образів.

Процедури прийняття рішень ґрунтуються на операторах і функціоналах, для яких розроблено схему послідовних ланок, що відображають процес прийняття цільових рішень, виходячи з моделей розбиття простору станів на робочу та аварійну області згідно з цільовою задачею управління, а також розроблено методи оцінювання достатності матеріальних та енергетичних ресурсів.

Базуючись на моделі простору цілей, які виробляються в цілеформуючій системі і враховуючи базу знань в заданій предметній області (у вигляді концептуальних і фізико-математичних моделей) та граничні умови, з використанням теорії випадкових процесів і полів, будується інформаційний цільовий простір динамічної системи. Для використання рівняння балансу ресурсів складаються стохастичні диференціальні рівняння динаміки, розв'язання яких в реальному масштабі часу, описує поведінку траєкторії стану системи у фазовому просторі. Виходячи із структури цільового простору (рис.2), класів стратегії управління, вибраного функціоналу якості, функцій штрафу та ризику синтезуються з використанням статистичної теорії спільного виявлення й оцінювання сигналів структури спостерігача у вигляді ІВС. Функціональні властивості та позначення елементів на рис.2 такі: W(Дz))– функція розбалансу; мT(ф) – функція розмитості; — початковий стан системи; — розбаланс при управлінні ; — лінія рівноважного стану при управлінні ; — оцінка параметра стану в момент часу на інтервалі спостереження системи; — час прийняття рішення; — момент оцінювання параметра стану; — аварійні зони в просторі станів об’єкта; — час форсованого виходу в цільову область; — значення параметра стану в околі цілі; — максимальне значення параметра стану при ризикованому управлінні.

Для опису структури ЕАО і динаміки матеріально-енергетичних перетворень в технологічних системах запропоновано нові методи їх конструктивного відображення в просторі станів, використовуючи оператори інформаційно-енергетичних перетворень, а також оператори функціональних математичних перетворень, які власне є відомі у відповідних розділах математики і мають складну аналітичну структуру, що відображає суть фізичних процесів у ЕАО

,

де — потоки матеріальних і енергетичних ресурсів; — системний оператор перетворень.

Проведено аналіз фізичних сигналів, що формуються в динамічних системах, є носіями даних і з яких видобувається інформація про структуру і стан системи як енергетичного перетворювача ресурсів у процесі виробництва продукції. Для таких сигналів характерна невизначеність, випадковість значень, яка трактується як реалізація, закладених у механізмі породжуючих їх систем, варіантів і можливих траєкторій поведінки. З урахуванням цих факторів розроблено та досліджено моделі фізичних сигналів як відображення структури породжуючих систем.

Встановлено, що математична модель сигналу є повною, якщо вона описує спосіб його породження і дозволяє виділити інформаційні аспекти поведінки породжуючої сигнал системи. Тоді значення сигналу проектується у числову функцію, що описує поведінку реалізації траєкторії стану динамічної системи на інтервалі спостереження (тобто реалізацію можливих подій в структурі ЕАО). На підставі цих результатів, вдосконаливши методи та засоби цифрової обробки сигналів запропоновані В.В.Грициком, О.В.Тимченком, розроблено методи синтезу алгоритмів відбору даних про стан об’єктів в умовах дії збурень та алгоритмів їх опрацювання, формування і розпізнавання образів ситуацій при розмитості значень як статичних, так і динамічних параметрів.

Отже, у другому розділі сформульовано і досліджено основні концепції аналізу й синтезу енергоактивних технологічних систем з використанням методів системного аналізу, теорії випадкових процесів і полів. Виходячи з інформаційно-ресурсної концепції управління, запропоновано методику ідентифікації і синтезу моделей структури об’єктів технологічного процесу.

У третьому розділі досліджено процедуру вироблення рішень для досягнення цілі енергоактивною системою при дії обмежень на інформаційні та енергетично-матеріальні ресурси. Показано, що вона має складну алгоритмічну структуру, зумовлену проблемами інформаційного забезпечення процесу розподілу і ефективного використання наявних ресурсів, адже сама ціль є непевною (розмитою), що не дозволяє описати ЕАО формальними моделями у вигляді сукупності рівнянь (алгебричних, диференціальних), параметри яких еволюціонують у часі. Тому запропоновано при синтезі стратегій управління застосовувати логіко-лінгвістичні моделі Поспєлова Д.А.

Досліджено основні аспекти синтезу алгоритмів і команд управління складними ЕАО зі стохастичною структурою, які стійко функціонують в умовах апріорної невизначеності щодо параметрів і при дії завад на інформаційну та енергетично-ресурсну структуру об’єкта керування з відповідним рівнем гарантій успіху. Виходячи з одержаних результатів, розроблено групи та класи стратегій управління і прийняття рішень на верхніх рівнях ієрархії системи, які є базовими для формування структури, а також параметрів управляючих процесорів (контролерів).

При цьому структура дерева розв’язання задач управління і структура графів можливих шляхів є основою інформаційної бази в процесах оцінювання і класифікації ситуацій та задає стратегію розбиття на класи альтернативних областей простору станів об’єкта. З використанням результатів проведених досліджень сформовано та обгрунтовано логіко-математичні процедури синтезу алгоритмів управління, виходячи з яких розробляється прикладне програмне забезпечення для процесорів і контролерів. Розроблено метод комплексної оцінки параметрів траєкторії стану динамічної системи за допомогою статистик, алгоритми яких побудовані з використанням операційних систем реального часу QNХ, тому забезпечують можливість ефективно опрацювати стандартні ситуації. Вказані статистики обчислюються на інтервалі спостереження, формують образ ситуації в цільовому просторі системи керування і відображають оцінки параметрів ймовірнісних характеристик на інтервалі допустимого часу прийняття рішень.

Виходячи із концепції інтервального оцінювання та використовуючи модель спряження інтервалів простору станів і цільового простору системи управління (рис.3), розроблено алгоритм формування команд для реалізації цільових рішень. Позначення на рис.3 такі: МПЦ — модель цільового простору; СУ — система управління технологічним процесом; — шлях реалізації цільового рішення.

Цільова функція управління енергобалансом енергоефективного комплексу об’єктів в даному випадку має вигляд:

,

де –сумарний розхід енергії на період , – стратегія управління енергобалансом, – функція ризику управління при збуренні ?.

Досліджено диференціальні рівняння як моделі ситуацій в просторі станів системи управління, результати чого обґрунтовують ефективність застосування процедури декомпозиції структури шляхом виділення агрегатів–комплексів інформаційно-енергетичних характеристик функціонально повних елементів. Для успішного застосування такої процедури при синтезі стратегій управління розроблено методики коректного вибору функціоналів якості, які відображають можливість досягнення гарантованого успіху при комплексному оцінюванні затрат матеріально-енергетичних ресурсів для забезпечення режимів та інформаційних ресурсів для прийняття рішень з мінімумом ризику аварійної ситуації через невизначеність та розмитість оцінок ситуацій.

Отже, в розділі розроблено логіко-математичну структуру алгоритмів моделювання траєкторій поведінки системи при дії завад, які використано при формуванні процедур синтезу як локальних, так і глобальних систем управління, що забезпечують умови безаварійного функціонування об’єкта за рахунок підвищення достовірності рішень.

У четвертому розділі досліджено особливості спостереження стану об’єктів, при високих енергіях протікання процесів і дії сильних збурень. Виходячи з основних положень енергетичної теорії Я.П.Драгана у поєднанні з інформаційно-енергетичним підходом В.П.Кожем’яко, розроблено методи відбору та вимірювання даних, формування оцінок траєкторій стану, образів ситуацій та побудовано алгоритми класифікації у відповідності із стратегіями прийняття рішень на основі визначених інформаційних ознак і їх індикаторів.

Синтез алгоритмів відбору і опрацювання даних здійснено з використанням класів моделей динаміки об’єкта, які описують баланс потоків ресурсів, що характеризуються детермінованою і стохастичною компонентами та можуть бути як неперервними, так і дискретними. Образи опрацьованих ситуацій проектуються в цільовий простір системи, при цьому проводиться оцінювання положення об’єкта відносно цільової області системи, його ідентифікація, яка є підставою формування управляючих дій і команд для реалізації їх.

Класифікацію ситуацій проведено шляхом розбиття простору станів об’єкта на нормальну та аварійну зони функціонування, згідно з оцінками функціями належності мА( ) й густини розподілу ймовірностей, виходячи з еталонної моделі класу об’єктів , , де — межі аварійних зон простору станів. При цьому структура зони задається у вигляді моделі композицій оцінок функцій належності Заде та функцій густини розподілу параметра стану (рис.4), де Dr – робоча зона на інтервалі допустимих значень параметрів Iи; Wи( )–функція густини розподілу ймовірностей на інтервалі Iи Tn; бr – рівень ризику прийняття рішень. Тоді аварійні зони простору станів визначаються шляхом проекції рівня ризику на несучу множину параметра стану.

Розроблена методика формування вирішних правил у процедурі вибору даних з суміші “сигнал-шум” з врахуванням масштабу перетворень та втрат при неправильному оцінюванні, що забезпечує можливість коректної діагностики та ідентифікації ЕАО. Виходячи з діаграм інформаційно-енергетичних перетворень в процесі відбору даних, для лінійних вирішних правил досліджено квадратичні функції втрат, які відображають енергетичний характер динамічних змін стану об’єкта при дії збурень, і обґрунтовано структурні схеми та методи побудови комп’ютерних моделей контролерів стану на основі синтезованих алгоритмів, їх математичного і програмного забезпечення.

Використовуючи результати теоретичних досліджень, проведено аналіз характеристик розмитого оцінювання параметрів ЕАО, похибок правил прийняття рішень, синтезованих з використанням алгоритмів інтервального оцінювання. При цьому інтервальне середнє параметра виступає як одна із форм нечіткого спостереження стану стохастичної динамічної системи, що дає можливість розробити методи оцінювання ступеня достовірності процедур класифікації для визначення положення системи в реальному часі спостереження, ввести шкали розмитості оцінок результатів спостереження динамічного стану об’єкта. Базуючись на таких підходах, побудовано функції впливу Г’юбера для робастного оцінювання стану об’єкта з розмитою структурою параметрів, відбір і опрацювання яких проводиться в умовах дії завад неоднакової фізичної природи.

Отже, у розділі показано, що шляхом застосування лінійної та нелінійної фільтрації, інтервального оцінювання і теорії розмитих множин у процедурах оцінювання положення траєкторії стану в цільовому просторі системи, реалізується коректне моделювання алгоритмів опрацювання даних про стан об’єктів управління для забезпечення гарантованого функціонування енергоактивних систем.

У п’ятому розділі досліджено інформаційну структуру процедур формування цілеорієнтованих рішень для управління об’єктами, параметри і стан яких мають апріорну невизначеність. Аналіз публікацій А.А.Чикрія, І.Б.Сіроджи, В.П.Боюна показує, що як правило, при взаємодії “об’єкт—система керування” процес формування управляючих дій є результатом реалізації моделей ігрового діалогу комп’ютерно-інтегрованої системи управління з інформаційно-вимірювальною. На підставі цього, виходячи з способу опрацювання даних, формування образів ситуацій і їх класифікації, побудовано процедури прийняття рішень шляхом комплексного застосування логіко-математичних процедур та статистичних методів, правила висновків яких використано при формуванні команд з відповідним рівнем ризику і функціоналом якості.

Дослідження можливостей реалізації таких процедур обгрунтовують необхідність використання апріорних знань у вигляді експертної системи, в яку закладено еталонні моделі структури системи управління і об’єкта. З використанням такого підходу розроблено концепцію розв’язання задач управління ЕАО, яка полягає у діалоговому пошуку аналогій (моделей допустимих ситуацій) в базі даних експертної системи проектування (САПР). При знаходженні аналогів проблемної ситуації з відомою стратегією розв’язання відбувається тестуванням їх стосовно умов поставленої задачі. Результат діалогу — верифікація моделей структури і динаміки досліджуваного об’єкта, на яких будується процедура розв’язання проблеми, виходячи з інтервальної збіжності в процесі аналізу можливості досягнення мети згідно із поставленою задачею.

Якщо джерело збурень є нестаціонарним з такими впливами на траєкторію стану, що відхилення її неможливо компенсувати за рахунок зворотнього зв’язку, тоді потрібна інформаційна оцінка ситуації, яка полягає у визначенні реальності факту зміни потоку ресурсів при дії збурення чи факту дезінформації спостерігача. Розв’язання задачі розпізнавання образів динамічних ситуацій здійснено шляхом виконання процедур: розпізнавання, класифікації та перевірки статистичних гіпотез; ідентифікації структури і динаміки об’єкту та завад; оцінювання і робастної фільтрації параметра стану. З використанням поняття цільового простору розроблено методики реалізації вказаних процедур, що забезпечують можливість синтезу робастних стратегій прийняття рішень для реалізації цільових задач при наявних обмеженнях на ресурси, тобто, передбачають введення ситуаційного управління, яке грунтується на оцінці образів ситуацій в динамічному режимі, порівнянні їх з еталонними і відповідному виборі управляючих дій, що ведуть до досягнення цілі.

Отже, в розділі наведено результати дослідження інформаційних методів декомпозиції проблеми синтезу АСУ в нормальних і аварійних режимах технологічних об’єктів і систем, обґрунтовано вибір ігрових моделей опису динамічних ситуацій при дії збурень різної за величиною потужності, показано адекватність застосування інтервальних алгоритмів опрацювання даних з метою формування управляючих рішень для забезпечення гарантованого функціонування технологічної системи.

У шостому розділі викладено обгрунтовання інформаційно-енергетичної концепції моделювання динаміки виходу з кризової ситуації енергоактивних систем з використанням модифікованих стратегій досягнення цілей технологічних процесів в умовах дії збурень і перерозподілу ресурсів у виробничих структурах.

Модифіковані методи аналізу і синтезу структури та динаміки систем використовують як основну теорію стійкості А.А.Ляпунова, що полягає у компенсації діючих збурень при повній інформації про них. Методи аналізу динаміки Понтрягіна-Белмана дають можливість описати поведінку систем, при якій управляючі дії формуються з врахуванням енергетичних характеристик стану з використанням методу динамічного програмування, що дало змогу ефективно керувати, як детермінованими, так і стохастичними системами, виконуючи оцінювання стану та формуючи управління з врахуванням передісторії системи.

Ускладнення структури виробничих систем, використання для управління технологічним процесом комплексу АСУ ТП, які функціонують паралельно і синхронно відносно цільової задачі при дії збурень різного фізичного характеру і зон їх впливу на об’єкт, виникають конфліктні ситуації в системах управління при розподілі ресурсів між об’єктами, що приводить до невизначеності прийняття управлінських рішень і це вимагає додаткових затрат енергетичних ресурсів на управління технологічним процесом, і відповідно приводить до необхідності формування стратегії ігрового типу в умовах невизначеності ситуацій (апріорної).

Для координаційного та ігрового управління характерним є вибір контрстратегій для введення позиційно-динамічних протидій, що мають інформаційно-енергетичний характер (інформація з певним рівнем розмитості та невизначеності образу динамічної ситуації в просторі станів та величиною енергозатрат, необхідних для управління об’єкта в цільовій області з врахуванням зони допустимої варіації параметрів). Врахування енергозатрат ефективно здійснюється шляхом застосування модернізації концепції Понтрягіна-Белмана виконаної В.Ф.Кротовим. В дисертації ця концепція модифікована з використанням енергетичної теорії сигналів Я.П.Драгана та інформаційно-ресурсної концепції, введеної Л.С.Сікорою.

Ввівши для рівняння динаміки системи представлення у формі Коші,

; ,

отримали . При цьому рівняння енергетичного балансу управляючих дій і збурень визначаються залежностями

де – функція Ляпунова, — розбаланс системи.

Рівняння Понтрягіна у формі Коші грунтується на моделі Ляпунова і для вибраного класу оптимальних стратегій має вигляд

,

управління формується на підставі класу функцій керуючих дій . Тобто, в цьому випадку виконується умова балансу ресурсів, коли управління компенсує збурення, а керуюча система має всю інформацію про дію збурень і відповідно реагує, використовуючи поточне оцінювання параметрів стану фільтром Калмана-Б’юсі.

Виходячи з наведених результатів та аналізу ЕАО з точки зору забезпечення енергоресурсами системи управління та виконавчих мезанізмів, оцінки енергії збурень розроблено процедуру синтезу стратегій прийняття керуючих рішень,