книги / Проектирование и исследование идентификационных моделей управляющих систем реального времени
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Н.В. Андриевская
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2013
УДК 681.51
ББК 30
А65
Рецензенты:
канд. техн. наук С.В. Березняков (ОАО «СТАР», г. Пермь);
д-р техн. наук, проф. А.А. Южаков (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Андриевская, Н.В.
А65 Проектирование и исследование идентификационных моделей управляющих систем реального времени : учеб. пособие / Н.В. Андриевская. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та,
2013. – 202 с.
ISBN 978-5-398-01137-1
Рассмотрены основные принципы проектирования управляющих систем реального времени с использованием идентификационных моделей; основные положения теории идентификации систем: структурная и параметрическая идентификация; линейный регрессионный анализ, идентификация нелинейных систем и методы оценивания параметров и состояния. Приведены методы исследования идентификационных моделей. Рассмотрены возможности пакетов MatLab и LabVIEW для построения и анализа моделей идентификации. Приведены контрольные вопросы и задания для самостоятельного изучения.
Материалы учебного пособия изложены с учетом требований сетевой образовательной программы: представлены возможности применения дистанционных технологий как при изучении теоретического материала, так и при выполнении практических и лабораторных работ.
Предназначено для профиля подготовки магистра 22040056.68 «Информационныетехнологии впроектированиисистемуправления реального времени».
УДК 681.51
ББК 30
ISBN 978-5-398-01137-1 |
© ПНИПУ, 2013 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ....................................................................................................... |
5 |
1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ |
|
СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ....................................................................... |
9 |
1.1. Основные принципы проектирования управляющих систем |
|
реального времени.................................................................................................... |
9 |
1.2. Применение идентификационных моделей в проектировании |
|
управляющих систем реального времени............................................................. |
16 |
Контрольные вопросы............................................................................................ |
20 |
2. РАЗРАБОТКА ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ |
|
УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ.................................... |
22 |
2.1. Основные понятия теории идентификации................................................... |
22 |
2.2. Классификация методов идентификации...................................................... |
30 |
2.3. Структурная идентификация.......................................................................... |
31 |
2.4. Параметрическая идентификация .................................................................. |
34 |
2.4.1. Схемы реализации параметрической идентификации........................... |
34 |
2.4.2. Классификация моделей объектов управления................................... |
37 |
2.4.3. Математическое описание основных классов моделей..................... |
42 |
2.4.4. Управляемость, наблюдаемость и идентифицируемость систем...... |
49 |
2.4.5. Идентификация линейной регрессионной модели ............................. |
52 |
2.4.6. Идентификация динамических систем................................................ |
59 |
2.4.7. Идентификация нелинейных систем.................................................... |
62 |
2.5. Идентификация с помощью тестовых сигналов........................................... |
66 |
2.5.1. Идентификация с помощью переходной характеристики................. |
67 |
2.5.2. Идентификация с помощью импульсной переходной |
|
характеристики ................................................................................................ |
73 |
2.5.3. Идентификация с помощью частотных характеристик..................... |
75 |
2.6. Совместное оценивание параметров и состояния .......................................... |
78 |
2.7. Применение нейросетевого подхода в построении идентификационных |
|
моделей объектов в управляющих системах реального времени....................... |
90 |
2.7.1. Основные понятия искусственной нейронной сети........................... |
91 |
2.7.2. Постановка задачи идентификации на основе ИНС.......................... |
94 |
2.7.3. Идентификация динамических объектов с помощью |
|
нейронной сети Кохонена............................................................................... |
95 |
Контрольные вопросы.......................................................................................... |
100 |
Задания по тематике практических работ и лабораторных занятий................ |
101 |
3
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ...................... |
102 |
3.1. Постановка эксперимента............................................................................. |
102 |
3.2. Оценивание адекватности моделей.............................................................. |
105 |
Контрольные вопросы.......................................................................................... |
114 |
Задания по тематике практических работ и лабораторных занятий................ |
115 |
4. ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ИДЕНТИФИКАЦИИ |
|
И МОДЕЛИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ |
|
РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ..................................................................................... |
117 |
4.1. Общая характеристика программных средств............................................ |
117 |
4.2. Применение пакета System Identification Toolbox для задач |
|
моделирования и идентификации управляющих систем |
|
реального времени................................................................................................ |
120 |
4.2.1. Использование пакета System Identification Toolbox |
|
для построения модели системы.................................................................. |
122 |
4.2.2. Обработка данных при построении модели объекта.......................... |
123 |
4.2.3. Оценивание статистических и частотных характеристик |
|
исходных данных.......................................................................................... |
127 |
4.2.4. Параметрическое оценивание данных............................................... |
135 |
4.2.5. Функции преобразования моделей..................................................... |
146 |
4.2.6. Проверка адекватности модели.......................................................... |
150 |
4.2.7. Анализ модели технического объекта ............................................... |
155 |
4.2.8. Основные результаты идентификации .............................................. |
165 |
4.3. Применение программной среды LabVIEW в задачах |
|
проектирования и исследования идентификационных |
|
моделей управляющих систем реального времени........................................... |
167 |
4.3.1. Особенности программной среды LabVIEW..................................... |
167 |
4.3.2. Сбор и обработка экспериментальных данных................................. |
171 |
4.3.3. Реализация процедуры идентификации............................................. |
177 |
4.3.4. Дополнительные возможности LabVIEW.......................................... |
187 |
Контрольные вопросы.......................................................................................... |
192 |
Задания по тематике практических работ и лабораторных занятий................ |
193 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................... |
195 |
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................................. |
197 |
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................................... |
201 |
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие «Проектирование и исследование идентификационных моделей управляющих систем реального времени» предназначено для студентов подготовки профиля 22040056.68 «Информационные технологии в проектировании управляющих систем реального времени».
Дисциплина «Проектирование и исследование идентификационных моделей управляющих систем реального времени» относится к вариативной части цикла профессиональных дисциплин и является обязательной при освоении основной образовательной программы высшего профессионального образования (ООП ВПО).
Для современных управляющих систем реального времени (УС РВ) характерен широкий диапазон изменения режимов функционирования, увеличение числа регулируемых параметров и регулирующих органов, вероятность возникновения нештатных режимов. Функционирование в условиях «жесткого» реального времени выдвигает повышенные требования к точности и скорости воспроизведения управления.
Проектирование современных управляющих систем реального времени невозможно без использования идентификационных методов. Методы идентификации, как экспериментальные методы построения модели, используется как на этапе проектирования УС РВ, так и в процессе эксплуатации. На проектной стадии идентификационные модели используются как эталонные модели, воспроизводящие «идеальные» технологические процессы. В процессе эксплуатации к методам идентификации в первую очередь выдвигаются требования временного характера: предложенные алгоритмы идентификации должны определять измененные характерстики как объекта, так и системы в условиях ограниченного времени.
Дисциплина «Проектирование и исследование идентификационных моделей управляющих систем реального времени» является профильной дисциплиной подготовки по направлению 22040056.68, в ней концентрируется наиболее общее знание о принципах проектирования УС РВ, о разработке методов идентификации, исследовании идентификационных моделей УС РВ.
5
Целью дисциплины «Проектирование и исследование идентификационных моделей управляющих систем реального времени» является формирование навыков использования методик и аппаратно-програм- мных средств в задачах проектирования, идентификации и моделирования управляющих систем реального времени.
Предметом освоения дисциплины являются:
–принципы создания современных управляющих систем реального времени;
–математические методы описания объектов и подсистем УС РВ;
–основные подходы к решениюзадачи структурной идентификации;
–методы параметрической идентификации;
–способы оценивания адекватности расчетных моделей исходным объектам;
–методы одновременного оценивания параметров и состояния;
–способы применения методов идентификации в управляющих системах реального времени;
–программно-аппаратные средства идентификации и моделирования УС РВ.
Трудоемкость дисциплины «Проектирование и исследование идентификационных моделей управляющих систем реального времени» составляет 144 ч, из них лекции – 6 ч, практические занятия – 18 ч, лабораторные работы – 16 ч. Основной вид занятий при изучении данной дисциплины – самостоятельная работа. В связи с этим в данном учебном пособии представлены все разделы дисциплины «Проектирование и исследование идентификационных моделей управляющих систем реального времени», включая материалы для самостоятельного изучения, а также вопросы и задания для самоконтроля.
Теоретический материал, изложенный в учебном пособии, находит дальнейшее развитие, углубление и практическую проработку в процессе выполнения заданий практических занятий и в ходе выполнения индивидуальных заданий по различным видам самостоятельной работы.
В процессе освоения данной дисциплины формируются следующие профессиональные профильно-специализированные компетенции:
–способность использовать программные средства идентификации и моделирования управляющих систем реального времени;
–способность разрабатывать модели объектов и подсистем в составе управляющих систем реального времени на основе методов идентификации.
6
В результате освоения дисциплины обучающийся должен демонстрировать следующие результаты:
Знать:
–постановку задачи идентификации;
–основные подходы к решению структурной идентификации;
–основы линейного регрессионного анализа;
–методы решения задачи идентификации нелинейных систем;
–методы совместного оценивания параметров и состояния;
–основные принципы исследования идентификационных моделей;
–основы теории планирования эксперимента;
–методы оценивания адекватности моделей;
–основные принципы функционирования систем реального времени;
–особенности применения идентификации в системах реального времени;
–программную среду System Identification Toolbox;
–программные средства моделирования и идентификации УС РВ
MatLab, LabVIEW.
Уметь:
–решать задачу структурной идентификации динамических систем;
–применять методы линейного регрессионного анализа для идентификации динамических систем;
–осуществлять выбор наилучшего метода и модели идентификации при разработке УС РВ;
–оценивать адекватность моделей;
–систематизировать информацию о состоянии объекта и подсистем УС РВ;
–выявлять основные значимые параметры объектов и подсистем УС РВ;
–использовать программные средства System Identification Toolbox для решения задачи структурной и параметрической идентификации систем управления;
–осуществлять постановку эксперимента и обработку экспери-
ментальных данных в среде Simulink System Identification Toolbox;
–использовать программные средства System Identification Toolbox для моделирования и исследования идентификационных моделей;
–использовать основные подсистемы и операторы LabVIEW для исследования идентификационных моделей;
7
–осуществлять выбор программных средств для моделирования
иисследования идентификационных моделей УС РВ.
Владеть:
–приемами и способами построения и исследования моделей идентификации объектов и подсистем УС РВ;
–типовыми аппаратными и программными средствами, используемыми при идентификации объектов и подсистем УС РВ.
Структура учебного пособия организована по модульному принципу. Глава учебного пособия соответствует разделу дисциплины, темы раскрываются в соответствующих подглавах и параграфах.
В учебном пособии представлены современные методы в проектировании и исследовании идентификационных моделей систем, основанные на использовании современных програмно-аппаратных средств, которые позволяют реализовать сетевой характер изучаемой дисциплины через дистанционные формы обучения.
Приведены примеры, контрольные вопросы и задания, которые позволяют студентам самостоятельно оценить уровень освоения теоретического материала, подготовиться к практическим занятиям и к выполнению индивидуальных заданий в рамках самостоятельной работы по дисциплине.
8
1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
1.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Система называется системой реального времени, если правильность ее функционирования зависит не только от логической корректности вычислений, но и от времени, за которое эти вычисления производятся. Следовательно, для событий, происходящих в такой системе, то, когда эти события происходят, так же важно, как логическая корректность самих событий.
Основной особенностью работы в реальном времени является то, что вычислительная система обеспечивает своевременную реакцию на все происходящие события даже при максимальной загрузке.
Назначение систем, работающих в режиме реального времени, – взаимодействие с объектами внешнего (по отношению к системе) мира в темпе процессов, протекающих в этих объектах. Это связано с тем, что в таких системах входной сигнал обычно соответствует каким-либо изменениям в физическом процессе, а выходной сигнал (чаще всего – сигнал управления процессом) должен быть связан с этими изменениями в определенный промежуток времени. Это время часто называют временем реакции системы, оно используется для характеристики управляющих систем реального времени (УС РВ). Внешние события, на которые реагирует система, в общем случае происходят в случайные моменты времени. Обработка любого наступающего события заключается в выполнении последовательности действий, заранее ограниченных временными рамками. Например, внешним событием может быть поступление данных от асинхронно работающего устройства, которое не управляется непосредственно оператором.
Большинство УС РВ работают в автоматическом режиме. В некоторых случаях предоставляется возможность непосредственного вмешательства в технический процесс, например чтобы изменить установку какого-либо параметра либо полностью изменить управляющую программу. В некоторых случаях оператор выполняет обязанности эксперта, т.е. в ходе технологического процесса оператору предлагается возможность изменить некоторые установки с целью оптимизации техно-
9
логического процесса. Оператор при этом может внести предлагаемые изменения в ход техпроцесса.
Системы реального времени служат для управления различными ответственными технологическими процессами. При этом объекты управления могут существенно различаться, поэтому в каждом отдельном случае создают специализированные интерфейсы, которые обеспечивают связь между системой регулирования и объектом регулирования (объектом управления). Такие интерфейсы могут быть реализованы в индивидуальном порядке с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) либо с помощью цифровых специализированных интерфейсов.
Проектирование УС РВ имеет свои особенности [1]:
1. Предполагается первоначальное изучение области применения и формирование требований к системе, затем поиски вариантов более эффективной реализации (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Распределение проектных функций
2. Последовательность проектных этапов строго определена, начиная с так называемого предпроектирования, что следует из функционального назначения проекта и жестких требований к характеристикам, диктуемым содержанием управляемого объекта (рис. 1.2).
10