Микропроцессорные системы управления и распознавания для агротехнологий

Актуальность проблемы. Современные микроконтроллеры и ПЭВМ обладают высокой надежностью и достаточно низкой ценой, в следствии чего круг автоматизируемых объектов и процессов постоянно расширяется. Благодаря их бурному внедрению автоматизируются все более сложные процессы (объекты) управления. Микропроцессорные системы, благодаря дополнительным информационным каналам и сложным алгоритмам, позволяют обеспечить более качественное управление технологическими процессами, повысить выход продукции, урожайность, снизить энергопотребление, позволяют решить многие экологические и социально-экономические задачи.

• В настоящее время наименее разработаны алгоритмические, модельные и системотехнические вопросы проектирования сложных АСУТП с взаимосвязными контурами управления, с несколькими структурными состояниями системы, (несколькими режимами), а также при большом запаздывания в контуре управления и нестационарными внешними воздействиями. Например, взаимосвязное управление микроклиматом и технологическими процессами в теплицах, управление перерабатывающими линиями или цехами и пр.

Микропроцессорная техника позволяет автоматизировать процессы, применяя сложные, но эффективные алгоритмы управления. Однако эти возможности, предоставляемые современными информационными технологиями, используются слабо. Такое положение не позволяет существенно повысить технико-экономические параметры автоматизируемых процессов.

• Классификация (распознавание) неизвестных объектов применяется в робототехнических комплексах, таких как системы автовождения, управления агрегатами, системы подкормки с оптическим определением междурядий, в установках селекции семян, сортировки готовой продукции, диагностики заболеваний растений и др. В любом случае техническая зрительная система должна определять класс, расположение, ориентацию и свойства поверхности объекта. Проблемы создания таких систем являются очень сложными и менее всего разработанными.

Система диагностики определяет (распознает) состояние объекта, классифицирует неисправности, то есть идентифицирует структурное состояние объекта. В сельском хозяйстве — это диагностика парка электроприводов, машинно-тракторного парка. Диагностика механизмов по виброакустическим сигналам требует больших вычислительных затрат на обработку потоков данных, сложных алгоритмов и математических методов, которых требуется найти.

Таким образом, разработка теории и методов проектирования систем распознавания и САУ с переменной структурой является важной научно-практической проблемой, имеющей высокую актуальность и большое народнохозяйственное значение.

Предметом исследования являются автоматические системы агропромышленного и общего назначения, так или иначе распознающие текущее структурное состояние процесса управления или объекта. Такими системами являются распознающие системы и САУ с переменной структурой (СПС).

Исследования и разработки, составившие основу диссертации, выполнены в ИПМАН СССР в 1974;1985г, в РГАЗУ, ВИЭСХ и НИЦРО в 1986;2005гг.

Целью работы является теоретическое обоснование и разработка методик построения автоматически перестраиваемых систем управления сельскохозяйственного назначения, методов выделения признаков и синтеза систем распознавания и диагностики, разработка на основе этих результатов автоматических систем, обладающих высокой технико-экономической эффективностью. В соответствии с поставленной целью требовалось решить следующие задачи:

1. Обосновать и разработать математические модели и алгоритмы идентификации класса объектов и процессов общие для систем диагностики, восприятия и АСУТП с переменной структурой, объединить сенсорный и логический уровни в методах построения автоматических систем.

2. Разработать методику построения алгоритмов управления АСУТП с переменной структурой, автоматически изменяющих алгоритм работы в зависимости от автоматически идентифицированного структурного состояния объекта.

3. Проанализировать особенности технологических процессов, разработать их аналитические и численные модели объектов и САУ применительно к микроконтроллерной реализации АСУТП.

4. Разработать схемотехнические и программные принципы построения централизованных и распределенных автоматических систем сельскохозяйственного назначения на базе микроконтроллеров и ЭВМ. Проверить эти принципы путем разработки и испытания образцов управляющих контроллеров.

На базе разработанной методики сконструировать и внедрить ряд АСУТП с улучшенными динамическими характеристиками и устойчивостью к аварийным и критическим ситуациям.

5. Для систем диагностики и распознавания разработать методы выделения признаков, а также метод автоматического синтеза алгоритма классификации, сочетающие достоинства известных методов и не имеющий их недостатков.

На базе этих методов разработать зрительные и виброакустические системы распознания и диагностики (для сельскохозяйственного производства). Испытать их в лабораторных и натурных условиях.

Методы исследований. В основу методики синтеза алгоритмов управления с переменной структурой вошли методы синтеза САУ, а также теория автоматов, методы таблиц решений и методы автоматического распознавания.

В основу методики разработки микропроцессорной реализации алгоритмов управления вошли численные методы вычислительной математики, методы таблиц решений. В основу технологии построения микропроцессорных управляющих контроллеров и сетей вошли методы измерительной и вычислительной техники, основные принципы программного и сетевого обеспечения.

В основу методик построения систем распознавания и диагностики вошли методы распознавания, таблиц решений, а также методы нечеткой логики.

Научная новизна исследований заключается в создании новых научно обоснованных методик разработки автоматических систем управления и распознавания, в новых технических и алгоритмических решениях, а также в разработке и внедрении новых серийных образцов автоматических систем для агротехнологий.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Система управления технологическими процессами сельскохозяйственного назначения в условиях действия внутренних и внешних факторов, нарушающих ход процесса, должна иметь переменную структуру, автоматически изменяющуюся в зависимости от фактического состояния объекта управления и возмущающих факторов.

Архитектура САУ должна быть двухуровневой. Верхний уровень предназначен для идентификации структурного состояния объекта и перевода САУ на выполнение алгоритма управления, соответствующего текущей структуре объекта. Нижний уровень состоит из ряда алгоритмов управления объектом, нивелирующих изменения структуры системы и возмущающие факторы. Каждый из алгоритмов управляет объектом в конкретном неизменном структурном состоянии.

2. Для идентификации структуры САУ необходимо перейти от исходного пространства описания системы к пространству признаков-предикатов, на котором можно построить логический автомат, идентифицирующий структуру объекта управления и САУ.

3. Непараметрический метод классификации (аппроксимации областей структур в пространстве состояний) — метод логических потенциалов, который обобщает классические методы непараметрической аппроксимации областей структур (классов), а также многие методы теории «нечетких множеств». Найден и математически обоснован спектральный критерий и алгоритм ускорения сходимости метода потенциалов.

4. Алгоритмы управления структурой САУ, построенные на основе теории таблиц решений, входами которых являются признаки, полученные при оценивании состояния объекта и САУ, а выходами — изменения в структуре, состоянии и управлении САУ. Разработаны и обоснованы информационные критерии оптимизации таблиц для сокращения объема и повышения надежности матобеспечения САУ.

5. Метод и алгоритм управления при переменной структуре объекта с большим транспортным запаздыванием и люфтом исполнительного органа. Подобная САУ управляется идентификатором структуры и строится по каскадной схеме с предсказывающей моделью и компенсаторами внешних возмущающих воздействий, а также с предкомпенсаторами влияния дополнительных технологических процессов,.

6. Численные алгоритмы, позволяющие проводить моделирование и анализ систем, а также разрабатывать в короткие сроки алгоритмы и программы управления, идентификации, самонастройки, адаптации для компьютерной и микроконтроллерной реализации САУ.

Обоснование и разработку архитектуры, алгоритмов и системотехнических принципов построения микропроцессорных автоматических систем различного применения и распределенных сетей управляющих контроллеров на основе опыта их практической реализации и опытной эксплуатации на объектах сельскохозяйственного назначения.

7. Результаты разработки ряда АСУТП сельскохозяйственного производства, для которых характерно большое запаздывание управляющего воздействия, резкие изменения режимов работы при действии возмущающих факторов (обогрев и вентиляция теплиц и помещений, ректификация, пастеризация и т. п.).

8. Результаты разработки и испытаний зрительных и виброакустических систем распознавания и диагностики.

Достоверность основных положений проведенных исследований, теоретических выводов и методики подтверждается математическими выкладками и доказательствами, приемочными испытаниями разработанных САУ, их эффективным практическим использованием.

Практическая значимость: На базе разработанной методики, моделей, алгоритмов и программ были созданы серийные регуляторы, управляющие сети, АСУТП, а также распознающие и диагностические системы. Использование методики построения САУ с переменной структурой позволяет автоматизировать более широкий круг технологических процессов, сократить время и стоимость новых разработок. Применение созданных контроллеров и сетей позволяет повысить технический уровень производств, снизить пусконаладочные и эксплуатационные затраты, повысить выход и качество продукции, снизить энергопотребление.

Реализация работы: Разработана и внедрена (для фирмы «Овен») серия адаптивных и самонастраивающихся ПИД регуляторов, регуляторов с моделью и переменной структурой, в том числе контроллеры отопления и приточной вентиляции с водяными калориферами для животноводства и птицеводства (ТРМ-32,33). Разработаны и внедрены управляющие унифицированные 8-и канальные контроллеры МС8, которые прошли Государственные испытания. На их базе разработаны и внедрены: сеть компьютерной регистрации режимов работы электрических подстанций (для «ОстАлко»), управляющая сеть для ампульного цеха фармакологического комбината им. Семашко. Разработана АСУТП тепличного комбината, в настоящее время эти системы установлены и эксплуатируются в нескольких тепличных комбинатах: «Московский», «Новокосинский», «Дзержинский» Нижегор. обл, «Ульяновский», «Саранский», АОЗТ «Агротип». Разработана и внедрена АСУТП цеха ректификации, а также система мониторинга состояния спиртохранилища на «ОстАлко» .

Разработаны и внедрены диагностические и испытательные системы различного применения: стенд для проверки и аттестации оросителей, стенд для диагностики тепловых процессов асинхронных электродвигателей (совместно с МП «Овен»), стенд для вибродиагностики двигателей внутреннего сгорания (для учебного процесса в РГАЗУ), стенд для диагностики состояния птиц по их акустическим сигналам (для Института этологии животных РАН).

Апробация работы: Основные положения работы и результаты исследований были представлены и получили одобрения на 10 Всесоюзных, Всероссийских и международных научно-технических конференциях.

Публикации: По материалам вошедшим в диссертацию опубликовано 33 печатных работы из них одна монография, кроме того, подготовлено 11 отчетов о НИР по Гос. темам и получено три авторских свидетельства.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, восьми глав и основных результатов, изложенных на 260 стр. машинописного текста, 50 рисунков, таблиц и графиков, списка литературы из 141 наименования.

ВЫВОДЫ и РЕЗУЛЬТАТЫ.

Опыт создания сложных автоматических систем показывает необходимость наличия в них «интеллектуального» логического блока, под управлением которого перестраивается алгоритм работы системы. К таким системам относятся диагностические и распознающие системы, а также САУ с переменной структурой (ПС).

1. В результате исследований и разработок различных САУ определены типы САУ с переменной структурой, которые в отличие от известных, изменяют не только набор внутренних параметров (коэффициентов настройки), но и вектора контролируемых параметров, управляющих воздействий, а также алгоритм регулирования (п. 2.5) [Л2−1,4,6,7].

Предложена и обоснована архитектура САУ с ПС, отличающаяся тем, что идентификатор структуры использует признаки, сформированные на основе значений, как контролируемых параметров, так и возмущающих факторов (п. 2.4) [Л2−4,6]. При таком подходе построении идентификатора структуры аналогично построению распознающего или диагностирующего устройства.

2. Для простых САУ с ПС предлагается использовать параметрические дискриминантные признаки линейного и общего вида (п. 3.1). Для сложных задач разработан непараметрический метод аппроксимации линейно неразделимых областей классов (структур) в признаковом пространстве — метод логических потенциалов (п. 3.2, 3.3) [Л2−3,5], который обобщает непараметрические методы аппроксимации областей классов (структур), а также методы нечетких множеств. В отличие от метода потенциальных функций он основан не на модели распределения зарядов, а на распределении потенциалов в токопроводящей среде. Метод позволяет идентифицировать объект с большей достоверностью при малом архиве известных объектов. Найден и математически обоснован спектральный критерий сходимости методов логических потенциалов и потенциальных функций (п.З.З)[Л2−5].

3. Метод логических потенциалов успешно применен в разработке действующей системы зрительного восприятия для сложных управляющих комплексов (автовождение, диагностика болезней растений, сортировка семян и пр.) (п. 3.4) [Л2−5]. Создана многопроцессорная стереоскопическая цветная система технического зрения, предназначенная для НИОКР по робо-тотехническим системам широкого профиля. Проведены успешные испытания системы по обнаружению, идентификации и сопровождению объектов в реальном времени и натурных условиях. Получено авторское свидетельство на способ нормирования изображений [Л2−11 ].

4. Разработана методика построения идентификатора структуры, отличающаяся, во первых тем, что идентификатор синтезируется как конечный автомат (п. 4.1), во вторых, в качестве таблицы переходов используется таблица решений, построенная на основе признаков структур (п. 4.2) [Л2−4,6]. В отличие от известных методов синтеза автоматов ставится задача не его минимизации, а задача обеспечения максимальной достоверности идентификации.

Для достижения высокой достоверности идентификатора структуры в САУ с ПС, а также алгоритмов диагностики и распознавания предложено использовать преобразование таблиц решений в древовидное решающее правило (п. 4.3) [Л2−4,5,6]. Это дает возможность проверить на полноту и непротиворечивость все состояния автомата, относительно возможных структурных состояний объекта, что обеспечивает надежность алгоритма управления.

Получены и обоснованы критерии оптимизации дерева решений с целью повышения надежности идентификатора структуры. В отличие от известных методов перебор признаков производится по критерию их информативности — количества информации о структуре (классе) объекта, вносимых признаками (п. 4.4) [Л2−4,5]. Разработаны и обоснованы оригинальные упрощенные критерии информативности, легко реализуемые на микроконтроллерах (п. 4.5) [Л2−4,5,6].

5. Разработаны численные модели объектов и алгоритмы управления с переменной структурой (ПС) для реализации САУ на малоразрядных микроЭВМ и позволяющих существенно сократить память данных и программ, стоимость контроллеров (Гл. 5) [Л2−4].

Предложен метод построения пространства признаков, основанный, в отличие от известных, на решении интегрального уравнения Фредгольма с ядром потенциального вида. Метод успешно применяется в задачах управления распределенными объектами (линии пастеризации, туннельные печи) (п. 5.2.3) [Л2−4], при этом «ортогонализуется» процесс управления по взаимосвязным каналам и процесс становится устойчивым, что часто не достигается применением независимых регуляторов в каналах.

Кроме того, этот метод успешно используется для синхронного спектрального анализа в системах вибродиагностики машин и механизмов (3.4.4))[Л2−11]. При этом резко сжимается пространство признаков, что упрощает построение идентифицирующего алгоритма и увеличивает достоверность распознавания.

6. Разработана методика построения САУ с ПС технологическими процессами в сельскохозяйственной и перерабатывающей промышленности (Гл.6) [Л2−1,4,6]. По этой методике разработан ряд САУ с ПС с улучшенными динамическими характеристиками и устойчивостью к аварийным и критическим ситуациям, позволяющие повысить выход (урожайность) и качество продукции, а также уменьшить энергозатраты:

Разработана и внедрена в серийное производство система управления микроклиматом теплиц, отличающаяся предиктивным алгоритмом с ПС, с компенсацией возмущений (п. 6.4,п.6.11) [Л2−2]. Система обеспечивает более качественное управление в условиях большого транспортного запаздывания и инерционности системы отопления, резкого изменения возмущающих и технологических факторов (уход от графика в 3.5 раза меньше, чем у известных аналогов).

Также разработаны алгоритмы с ПС для САУ отоплением, приточной вентиляцией жилых, производственных и животноводческих помещений (п. 6.9) [J12−7], позволяющие экономить до 20% тепловой энергии и исключить штрафы за превышение графика по обратной воде.

— Разработан алгоритм и реализовано микропроцессорное устройство защитного отключения электродвигателя. Это устройство не требуют установки датчика температуры обмотки, использует, в отличие от известных, модель теплопередачи (уравнение Фурье) с переменной структурой (п. 6.10). Проведены успешные испытания. Алгоритм управления защитой позволяет более эффективно использовать электродвигатель и увеличить его ресурс.

Получены авторские свидетельства на данное устройство защиты [J12−9,10].

7. Разработаны системотехнические (п. 7.1,2) и программные (п. 7.3) принципы построения унифицированных контроллеров, позволяющие снизить затраты на их разработку [J12−4].

На основе этих результатов разработан ряд управляющих промышленных контроллеров: ТРМ-Зх, МС-8, Базис-8Р, МС-16, серийно выпускаемых фирмами «Овен», «Мезон», «АстраКон», «ЛайнКул». Алгоритмы функционирования контроллеров имеют переменную структуру. Эти контроллеры обладают рядом преимуществ перед известными аналогами:

— Высокой надежностью и удобством эксплуатации. В течение 4 лет круглосуточной эксплуатации система из 10 приборов МС-8 имела два отказа в измерительной плате из-за обрыва датчиков. Прибор прошел Государственные испытания и сертифицирован.

— Низкой стоимостью систем управления (600 -750 руб. на канал). Применение в САУ контроллеров с алгоритмом управления переменной структуры позволяет исключить дополнительные логические устройства, что дает экономию, сравнимую со стоимостью самого микроконтроллера.

Разработаны и обоснованы принципы построения сложных централизованных и распределенных АСУТП с переменной структурой для сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности. В частности АСУТП строятся на базе сетей автономных управляющих контроллеров и центральной ЭВМ. Разработан и внедрен ряд подобных АСУТП [Л2−2,4], в том числе АСУТП участка стерилизации, тепличного комбината, цеха ректификации и др. (п. 7.4,5,6) [Л2−4,6].