Автоматика. Аппаратура систем автоматического управления и регулирования (преобразователи и датчики, сервоприводы, сервоусилители, автореле и др.). Техническая кибернетика. Техника автоматизации (Компьютеры - см. 004)

Междисциплинарное учебное пособие, предназначенное для факультативного изучения студентами и магистрантами, обучающимися по направлениям подготовки «Техносферная безопасность» и «Электрооборудование автомобилей и тракторов». Охарактеризованы многофункциональные датчики, аналитические микро-и нанолаборатории: газовый и жидкостный хроматографы, нейроподобная система «электронный нос» и мультисенсорные системы — «электронный язык». Приведены основные результаты исследования направлений создания системы непрерывного мониторинга технического состояния образцов транспортной техники, полученные в НИИ МВС ЮФУ.

Учебное издание содержит сведения по методам разработки моделей и алгоритмов управления для объектов управления химико-технологических систем. Теоретические материалы сопровождаются примерами и практическими заданиями, основанными на использовании программных средств пакетов MATLAB Simulink.

Рассмотрены основные вопросы математического моделирования стохастических и детерминированных процессов на основании эмпирических данных, а также формирования аналитических математических моделей. Приведены примеры построения математических моделей и задачи для самостоятельного решения.

В монографии предложены методы управления техническими объектами с помощью интеллектуальных регуляторов. Представлены модели гибридного управления техническим объектом с разработанными системами адаптивного поведения на основе нейронечеткого вывода. В представленных моделях применяются интеллектуальные регуляторы на основе самоорганизации базы знаний без привлечения эксперта, позволяющие обеспечить эффективное робастное управление объектом, функционирующим в непредвиденных внешних ситуациях, а также при изменении его параметров, используя объективные знания о его динамическом поведении. Разработаны методы оптимизации процедуры синтеза нечетких регуляторов.

В учебно-методическом пособии содержатся рекомендации для выполнения практических и самостоятельных работ по дисциплине «Математические основы управления».

В данном пособии раскрываются методы решения задач управления процессами и системами, предлагаются алгоритмы решения и компьютерные задачи для закрепления теоретического материала лекционного курса.

Приведены основы моделирования электрических машин (трансформаторы, асинхронные и синхронные машины и машины постоянного тока) в среде MATLAB 7.x с помощью приложения Simulink

Рассматривается модернизация цифровых регуляторов температур судовых рефрижераторных установок. Приведена сравнительная характеристика существующих регуляторов температуры, определены их преимущества и недостатки. Предложено использование нечеткой логики для определения температурного режима холодильной установки и управления работой компрессоров переменной производительности. Разработан блок регулирования температуры на нечеткой логике в среде математического моделирования MATLAB/Simulink. Блок регулирования обрабатывает входные сигналы, которыми являются значение рассогласования температур и дифференциал рассогласования температур. На основе набора логических правил блок регулирования формирует управляющий сигнал и отправляет его на компрессор переменной производительности. С помощью модели холодильной установки, представленной в среде математического моделирования Simulink, проведено сравнение работы установки в двух режимах: с применением управления температурой на нечеткой логике и с применением релейного управления температурой холодильной установки. Установлено, что регулятор на нечеткой логике более эффективен для применения в холодильной установке благодаря высокой чувствительности к изменениям температуры, логическому прогнозу изменения температуры, а также отсутствию большого заброса между требуемой и действительной температурой установки. В режиме использования нечеткой логики регулирование происходит плавно, с небольшой задержкой во времени. Сделан вывод о существенных отличиях между логиками температуры, применяемыми для управления температурой судовой холодильной установки, оценены преимущества нечеткой логики в сравнении релейной.

Проведен сравнительный анализ форм эффективного преобразования динамических прогнозирующих фильтров случайных процессов, представляющих радио и отражённые локационные сигналы. Исследуются основные свойства системы фильтрации: прогнозируемость и устойчивость. Предложены итеративные схемы получения статистических оценок, в т.ч. скользящего среднего

Известно, что определение динамических характеристик датчиков механических величин выполняется по откликам на известные воздействия. Cначала оценивается погрешность описания модели, затем находятся параметры математической модели для порядка, выбранного по дифференциальным критериям. Необходимость применения таких критериев обусловливается использованием погрешности описания модели. Следует учесть, что в случае повышения порядка модели уменьшается погрешность ее описания, т. е. чем выше порядок рассчитываемой математической модели, тем точнее описание отклика. Однако в случае целенаправленного завышения порядка описываемой модели высока вероятность появления несуществующих составляющих и (или) расщепления одной из них. Отсюда возникает задача, суть которой заключается в разработке методики моделирования известного отклика, характеризующегося наименьшими погрешностями. Отмечается, что поставленная задача дополняется ограничением: при ее решении необходимо найти для рассчитываемой математической модели такие параметры, которые удовлетворяют условию минимальной погрешности. При численном моделировании проверяется, насколько точно разработанная методика позволит определить эти параметры, чего невозможно добиться при обработке реальных данных. Устранить вышеприведенные трудности возможно при использовании имитационного моделирования в задачах коррекции динамических характеристик средств измерений без остановки их работы. Главная сложность заключается в том, что заранее неизвестны ни порядок математической модели, ни ее погрешность. Для выбора порядка математической модели применяется минимизация погрешности ее описания, при этом учитывается суммарное влияние всех составляющих. Предложенная методика позволяет определять совокупность свойств объекта, которые характеризуются в конкретный момент времени признаками и значениями параметров, или уточнять его характеристики без демонтажа самого объекта

Рассмотрены существующие способы снижения неравномерности распределения толщины гальванического покрытия по поверхности изделия с использованием ванн со многими анодами. Предложен новый способ снижения неравномерности покрытия, заключающийся в сочетании режима реверсирования тока с отключением соответствующих анодных секций в многоанодной ванне. Приводится структурная схема гальванической ванны. Поставлена задача оптимального управления описываемым процессом. Рассмотрены алгоритмы решения системы уравнений математической модели на основе сеточного и итерационного методов. Определен поиск решения поставленной задачи управления на основе метода полного перебора. Эффективность предлагаемого способа, по сравнению с классическим режимом реверсирования в ванне с монолитным анодом, показана на примере нанесения гальванического покрытия в 9-анодной гальванической ванне никелирования на изделие плоской формы. При этом эффективность снижения неравномерности гальванического покрытия доказывает целесообразность применения предложенного способа

Разработан формальный метод описания и автоматизированной генерации тестов испытания конформности для протоколов безопасности (ПБ). Предложена математическая модель процессов информационного обмена на основе недетерминированного конечного автомата с использованием целочисленных линейных неравенств для описания полного пространства состояний протокольных объектов

Одним способов технического перевооружения промышленности является модернизация. В большинстве случаев простои технологического оборудования связаны с отказами их систем управления. Модернизация системы управления позволяет расширить возможности станков с ЧПУ в части обеспечения требуемых параметров качества поверхностного слоя, реализовав адаптивную систему управления процессом механической обработки

Предложена методика настройки станочных параметров, позволяющая определить точность всей технологической системы, идентифицировать влияние каждого из факторов на точность отработки траектории перемещения режущим инструментом. Методика позволяет добиться необходимой точности отработки траектории путем оптимизации станочных параметров при проведении планового, капитального ремонта, а также при модернизации токарного станка с ЧПУ

Предложена методика настройки станочных параметров, позволяющая определить точность всей технологической системы, идентифицировать влияние каждого из факторов на точность отработки траектории перемещения режущим инструментом. Методика позволяет добиться необходимой точности отработки траектории путем оптимизации станочных параметров при проведении планового, капитального ремонта, а также при модернизации токарного станка с ЧПУ

В учебном пособии рассмотрен комплекс вопросов, связанных с аналоговой и аналого-цифровой схемотехникой информационно-измерительных систем (ИИС) и систем управления. Подробно описаны компоненты таких систем (микроэлектронные сенсоры, усилители сигналов, аналого-цифровые преобразователи и устройства отображения информации). Приведены схемы включения элементов ИИС и систем сбора данных (ССД), анализ их погрешностей, программы схемотехнического моделирования элементов ССД в пакете Multisim фирмы National Instruments.

Приведены методологические, методические и модельные подходы к моделированию и управлению в условиях чрезвычайных ситуаций (ЧС). Рассмотрены методологии концептуального моделирования и синтеза алгоритмов управления при ликвидации ЧС, моделирования и синтеза алгоритмов управления в условиях ЧС с использованием нечетких когнитивных карт, методы и модели, предназначенные для моделирования и синтеза алгоритмов управления в условиях быстропротекающих ЧС, сценарии управления ликвидацией ЧС с использованием системного подхода, а также структуры и функциональный элементный состав региональной информационной системы, реализующей поддержку принятия решений при ликвидации ЧС.

Учебное пособие содержит теоретическую часть и материалы практических занятий по основам микропроцессорных систем управления. Изложена общая методика проведения лабораторных работ в инструментальных программных комплексах промышленной автоматизации «CoDeSys» и «Zelio Soft», рассмотрены примеры решения задач.

Приводится методика расчета камертонного датчика давления бурового раствора на забое скважины, принцип действия которого основан на изменении частоты колебаний камертонного резонатора от величины давления бурового раствора за счет изменения действующей длины камертона. Даны аналитические зависимости для расчета геометрических размеров элементов первичного преобразователя давления. С учетом работы забойной измерительной аппаратуры в стесненных размерах бурильной трубы приводится расчет измерительного контейнера. Приводится блок-схема алгоритма методики расчета камертонного датчика давления бурового раствора. Основное назначение датчика – повышение эффективности работы путем обеспечения высокой точности за счет использования частотного метода преобразования и передачи на устье скважины величины измеряемого параметра.

В отечественной и зарубежной литературе приведено большое количество методик, посвященных проблемам моделирования многофазных газожидкостных потоков смесей в газоконденсатных скважинах. В зависимости от постановки задач наиболее известные методики, как правило, ограничены многочисленными допущениями и являются частным случаем более общей системы уравнений сохранения массы, энергии и импульса. Для повышения качества прогноза технологических параметров работы скважин необходимо обобщение существующих методик расчета устьевых параметров работы с учетом особенностей движения многофазного потока от забоя к устью, реальной геометрии ствола скважин, а также интенсивного теплообмена газожидкостного потока с окружающей породой.

В статье рассматривается математическая модель четочного течения нефти и воды через систему поровых каналов посредством решения уравнений Навье-Стокса. Пористая среда, реконструкция порового пространства которой основывается на использовании кривых капиллярного давления, представлена в виде системы капиллярных каналов сложной конфигурации. С использованием разработанного метода проведены исследования факторов, оказывающих влияние на многофазный поток в пористой среде, а также показан пример расчета функций относительных фазовых проницаемостей.

В статье описывается усовершенствованный алгоритм метода гидравлического уклона для обнаружения утечек в нефтепроводе. Приводится краткое сравнение с другими распространенными методами обнаружения утечек. Проведено теоретическое исследование разработанного алгоритма, и рассчитана методическая погрешность локализации утечки.

В статье изложены методика и алгоритм построения карт распространения радиуса тангенциальной кривизны поля проницаемости, расчлененности и структурной поверхности на примере пласта А[4] Пронькинского месторождения. С их помощью получены технологии, позволяющие формировать новые технологические границы, которые разделяют залежь на обособленные элементы с ранее недренируемыми запасами.

В статье анализируются сравнительные возможности вероятностно-статистических методов (грубого метода Монте-Карло, стратифицированные выборки из латинских гиперкубов, численных операций над дискретными величинами) и методов теории нечетких множеств для анализа неопределенностей геолого-промысловых систем. Особое внимание уделяется анализу неопределенностей при отсутствии аналитической модели и методам построения функций принадлежности путем имитационного моделирования.

В статье на основании анализа изменившихся условий применения геолого-технологических исследований (ГТИ) и их диверсификации в связи с необходимостью информационного сопровождения отдельных этапов строительства нефтегазовых скважин рассмотрены различные уровни модульной архитектуры комплексов ГТИ.

В статье описана математическая модель на основе однонаправленной нейронной сети, с помощью которой предлагается обеспечить оптимальное управление процессом осушки газа при производстве водорода. Отдельные фазы однородно протекающего технологического процесса предлагается описать с помощью слоев нейронов, которые подразделяются на входные, выходные и скрытые. Регулирование линий связи между данными слоями и подстановка определенных весовых коэффициентов позволят обеспечить оптимальное управление данным процессом.

В статье рассматриваются пути повышения точности и частоты измерения дебита нефтяных скважин и расширения функциональных возможностей групповой замерной установки. Представлена схема автоматизированной групповой установки для измерения дебита нефти. Предложен алгоритм расчета дебита нефти, воды и газа.

Система обнаружения утечек (СОУ) представляет собой некоторый программно-аппаратный автоматизированный комплекс, и всегда перед пользователем трубопроводной системы возникает задача выбора на соответствующем рынке наиболее эффективной и адекватной условиям эксплуатации СОУ. В статье проводятся анализ существующих СОУ на основе многокритериальной оценки их качества и решение задачи выбора наиболее эффективной СОУ на примере нефтепроводной системы Таладас-Тартус (Сирия). На первом этапе выбора эксперты Сирийской компании оценивают каждый из представленных методов по каждому критерию применительно к условиям работы трубопровода Таладас-Тартус. Далее методом Борда выполняются многокритериальное ранжирование и выбор наилучшего метода СОУ.

В процессе бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин необходимо осуществлять непрерывный контроль направления ствола скважины непосредственно в процессе бурения. Традиционные геофизические инклинометры не предназначены для работы в тяжелых условиях забоя глубоких скважин. Необходима разработка надежных средств определения пространственного положения ствола бурящейся скважины, непосредственно в процессе бурения. Предложен принципиально новый струйный датчик азимута угла искривления ствола скважины. Разработана методика расчета забойного датчика азимута искривления скважины. Построен алгоритм расчета, определены и приводятся численные значения размеров элементов датчика и конфигурация струйного элемента для глубоких скважин. Параметры датчика согласуются с параметрами беспроводного комбинированного канала связи забоя с устьем скважины.

Рассматривается достаточно простой способ составления разностных уравнений для записи алгоритмов в ПЛК. Указывается четкий порядок составления разностных уравнений. Для иллюстрации предлагаемого способа приведены примеры составления разностных уравнений для трех типовых законов.

Методика оценки экономической эффективности геолого-технических мероприятий позволяет унифицировать критерии и способы обработки исходной геолого-промысловой информации для последующей оценки прогнозной и фактической экономической и технологической эффективности планируемых и проведенных геолого-технических мероприятий на скважинах.

Рассматривается возможность применения в забойной измерительной аппаратуре механических колебательных систем в процессе бурения глубоких скважин. Описывается устройство для измерения температуры на забое скважины. Представлена математическая модель датчика температуры, позволяющая рассчитывать элементы датчика применительно к параметрам канала связи забоя с устьем скважины.

В статье рассматриваются методические предпосылки создания проблемно-ориентированной базы знаний в логической системе для технико-экономической оценки месторождений нефти и газа. Показано, что решение вычислительных задач, относящихся к данной проблемной области, потребовало совершенно новых подходов к представлению и обработке информации с помощью компьютера. Благодаря новому направлению, базирующемуся на теории искусственного интеллекта, возможен переход от машинного представления процедур к машинному представлению экспертных знаний. Актуальным является то, что применяемые семантические сети позволяют вести осмысленный диалог человека с машиной, в результате чего возможно обучение пользователей с целью составления прикладных расчетных алгоритмов. Моделируемые алгоритмы, могут составлять поле возможных решений задачи и накапливаться в интеллектуальной системе в процессе ее функционирования.

Информация, передаваемая по каналам телеметрических систем (ТМС), должна соответствовать протоколам пакетного информационного обмена. Однако требование к фиксированности длины пакетов телеметрической информации (ТМИ) ограничивает возможность оптимизации пропускной способности каналов ТМС. Представлен системный подход к моделированию подсистем обработки ТМИ на этапах оцифровки результатов контроля, формирования телеметрического кадра и пакетирования телеметрической информации. Показано, что сжатие данных возможно при адаптивном формировании оцифрованного результата контроля, размерность которого определяется старшим разрядом с "единичным" битом. Установлено, что для различных каналов с помехами существует оптимальное значение длины пакета с ТМИ, при котором минимизируются потери в скорости передачи информации, обусловленные стиранием искаженных пакетов. Ограничением на решение данной задачи является соотношение информационных и проверочных символов в пакете, которое регламентируется границей Варшамова–Гилберта.

Предлагается новый метод построения эмпирического уравнения характеристической кривой, который на практике для узлового анализа условий движения газожидкостной смеси в вертикальных лифтовых трубах позволит снизить объем массовых численных решений задач Коши для приближенного дифференциального уравнения Грея.

В статье рассматривается основа применения теории моделирования для проведения экспериментальных работ. Изучены напряженно-деформированные характеристики полимерных композитных материалов различных марок и конструкций.

Методические указания предназначены для самостоятельной работы студентов при изучении методов оптимизации технических систем и объектов металлургии. Описаны идеи и вычислительные алгоритмы основных методов оптимизации, применяемых при проектировании, построении нелинейных математических моделей и организации автоматического управления тепловыми объектами и процессами.

Цель: разработка динамических математических моделей управляемых технологических процессов осушки природ- ного газа. Результаты: разработана концептуальная модель тепло- и массообменных процессов комплекса технологи- ческих систем «Абсорбция – Десорбция» как объекта управления, характеризующаяся взаимосвязью разнородных фи- зических процессов, структурой и обоснованным выбором входных, внутренних, измеряемых и управляемых величин. На основе концептуальной модели разработаны и исследованы математические модели управляемых массообменных процессов в абсорбере насадочного типа и теплообменных процессов в испарителе и аппарате воздушного охлажде- ния, отличающиеся обоснованным принятием допущений, пространственной распределенностью величин и учетом функциональной зависимости скорости газообразной фазы от внешних и внутренних возмущающих факторов, что по- зволяет адекватно управлять процессами в условиях изменения этих факторов. Предложено многорежимное регули- рование моделируемых процессов. Практическая значимость: разработанные математические модели управляемых массо- и теплообменных процессов абсорбционной осушки природного газа позволяют объяснять и прогнозировать по- ведение комплекса технологических систем типовых установок комплексной подготовки газа при различных режимах функционирования. Применение многорежимного регулирования обеспечивает поддержание заданного качества газа в широких интервалах изменения давления, температуры и расхода.

Методические указания посвящены анализу и синтезу систем автоматического регулирования. Описана методика моделирования линейной и нелинейной систем регулирования, системы с запаздыванием, исследовано влияние некоторых параметров названных систем на вид переходного процесса. Проведен анализ влияния параметров регулятора на выбранные критерии качества работы системы. Представлено описание универсальной программы «Моделирование в технических устройствах (МВТУ 3.7)», позволяющей проводить моделирование и оптимизацию систем автоматического регулирования и управления теплоэнергетических установок на ЭВМ.

Проиллюстрированы методы теории автоматического управления на примерах и показаны методы использования математических программных систем для решения практических задач в рамках дисциплин «Теория автоматического управления», «Управление в технических системах». Практические занятия выполняются на персональных компьютерах в операционной среде Windows с установленной системой MatLab 6.Х и пакетом прикладных программ Contгol System Toolbox и Simulink.

Приведены правила и примеры преобразования структурных схем линейных непрерывных стационарных систем автоматического управления, необходимые для решения задач проектирования и исследования указанных систем.

Рассмотрена методика проектирования баз данных, в рамках которой разработчик отталкивается от реальных данных, что позволяет формализовать процесс проектирования баз данных.

Решены задачи определения параметров трехмерных объектов по двум проекциям (фотографиям). Рассмотрены математические аспекты, алгоритмы и приведено описание программного продукта.

Рассматриваются методы анализа систем и сетей инфомационного обмена с использованием сетей Петри. Приводятся примеры анализа систем и сетей аналитическим методом и методом имитационного моделирования в среде математического пакета MathCad.

Методические указания предназначены для самостоятельной работы студентов направлений 010800.62 («Механика и математическое моделирование») и 220100.62 («Системный анализ») по дисциплине «Методы оптимизации», «Математические методы теории управления» и другим, связанным с применением различных методов оптимизации и теории управления при решении оптимизационных задач и задач нелинейного программирования.

Вторая часть практикума посвящена идентификации динамических объектов и моделированию систем автоматического управления нелинейными динамическими объектами посредством идентифицирующих нейросетевых регуляторов. Практикум предназначен для студентов технических вузов направления и специальности «Автоматизация технологических процессов и производств», а также может быть полезен специалистам в области моделирования современных систем автоматического управления.

Вторая часть пособия посвящена моделированию интеллектуальных систем, в основе функционирования которых лежат методы составляющих концепции мягких вычислений – фазиматематика и нейроматематика.

Третья часть практикума посвящена имитационному 2В-моделированию несложных технологических систем и процессов в программной среде Plant Simulation фирмы Siemens PLM Software.

Третья часть пособия посвящена краткому изложению основных положений агентной проблематики, на которых возможно построение и моделирование систем разнообразного назначения: свойств и принципов построения и моделирования агентов и мультиагентных систем различных классов, инструментальных средств агентных вычислений, а также базовых принципов организации и функционирования объектов роевого интеллекта и искусственных иммунных систем, в том числе базирующихся на агентах.

О построении математической модели процесса на основе уравнения состояния идеального газа и уравнения замкнутой системы, отражающей законы сохранения энергии и массы.