2. Особенности имитационных моделей. Эксперимент

Сложные системы, которые требуют введения управляющих воздействий, анализа свойств, принятия решений, в большинстве своем характеризуются широким набором режимов функционирования, разветвленной сетью подсистем, неоднозначными реакциями на различные воздействия. Все это в совокупности отражается в высоком уровне неопределенности свойств таких систем как объектов управления или принятия решений. Снижение рисков некорректного управления такими системами можно достичь лишь при использовании их моделей в качестве виртуальных объектов, допускающих проведение серий компьютерных экспериментов в целях выявления свойств систем. Это определило в настоящее время процесс бурного развития имитационного моделирования и программных сред для реализации моделей.

Имитационные модели сложных систем служат необходимым, часто — безальтернативным, средством поддержки принятия решений системными аналитиками, руководителями высшего звена, оперативным составам и менеджерами компаний. Процесс принятия решений при этом может представлять многовариантный интуитивный диалог с моделью, в ходе которого проводятся эксперименты, решается множество задач класса «что…, если…».

Разработка ИМ может потребовать предварительного проведения серии натурных экспериментов, сбора данных об исследуемой системе для выявления основных свойств, особенностях влияющих факторов. Обычно изучаемые системы имеют случайные воздействия внутреннего или внешнего характера, что позволяет отнести такие системы к классу стохастических. Однако достаточно часто требуется исследовать поведение стохастической системы в среднем, составить ее описание применительно к математическим ожиданиям ее основных переменных. Так, например, при разработке или модернизации систем управления энергетическим оборудованием, для широкого круга задач достаточно иметь детерминированное описание объекта управления, поскольку совокупность случайных возмущений может приводить к незначительному отклонению переменных от средних значений. В любом случае, для построения имитационной модели необходима серия предварительных экспериментов.

Рассмотрим особенности подобных экспериментов применительно к задаче формирования имитационной модели системы управления судового дизель-генератора [4]. Для этой системы управления перспективными являются структуры, в которых регулирование осуществляется не только по отклонению от задающего воздействия, но и по возмущению (нагрузке). Проанализируем особенности натурных экспериментов с такой системой для двух вариантов — для проведения модернизации системы регулирования частоты и для системы совместного регулирования частоты и напряжения. Первый вариант относится к одномерным системам управления, второй — к двумерным системам. Покажем, что сущность экспериментов будет определяться теми задачами, которые будут стоять перед разработчиками.

1. Система регулирования частоты (СРЧ). Общий вид системы регулирования частоты дизель-генератора (ДГ) приведен на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структура СРЧ

В структуре рис. 2.1 обозначены:  – задающее воздействие; N – нагрузка, выступающая в рассматриваемой задаче в качестве возмущающего воздействия; u – результирующий сигнал управления (положение исполнительного механизма); y ‑ частота; H ‑ передаточная функция ДГ; HN – передаточная функция звена, учитывающего изменение частоты ДГ при изменении нагрузки; R ‑ регулятор по отклонению; RN – регулятор по возмущению.

Применительно к данной структуре могут стоять следующие основные задачи:

1а. Построение имитационной модели СРЧ. Это означает, что определению подлежат все передаточные функции структуры, изображенной на рис. 2.1. Данная задача особенно актуальна для ДГ иностранного производства, в которых регуляторы и другие звенья системы не имеют достаточного технического описания.

1б. Синтез регуляторов R и RN. Такая задача может быть решена только в случае, когда известны передаточные функции H и HN. Необходимость подобной постановки может возникнуть в случае, когда принимается решение о замене штатных регуляторов ДГ на новые.

1в. Синтез корректоров (надстроек для штатных регуляторов без исключения и замены последних). Такая задача представляется наиболее актуальной в случае, когда качество штатной СРЧ не соответствует требуемому, или в варианте, когда для последующего внедрения разрабатывается новая система (например, система управления с переменной частотой, зависящей от текущей нагрузки). Решение подобной задачи предполагает, что объектом управления (коррекции) служит структура, изображенная на рис. 2.1. Более точно — для решения подобной задачи требуется определить передаточные функции W_ и W_N, связывающие переменные (y ‑ ) и (y ‑ N).

Эксперименты, которые проводятся в целях построения математических моделей можно подразделить на активные и пассивные.

При активных экспериментах над некоторым динамическим звеном (или динамической системой) на вход звена в его исходном установившемся состоянии подается ступенчатый сигнал и снимается реакция звена на это воздействие, которая, после аппроксимации, служит вариантом математической модели этого звена. В качестве такого ступенчатого воздействия могут использоваться как единичные ступенчатые воздействия, так и долевые ступенчатые сигналы (например, 0,1 от номинальных значений). Продолжительность активного эксперимента должна определяться динамическими свойствами переходных характеристик звена (системы). Необходимыми условиями активных экспериментов служат: возможность автономной работы исследуемого звена в процессе эксперимента; наличие точек воздействия на звено и точек съема данных в реальной (или экспериментальной) установке.

Пассивные эксперименты не требуют активного воздействия на элементы исследуемой динамической системы и заключаются в пассивном измерении входного и выходного сигналов исследуемого звена (системы). Единственное требование при проведении таких экспериментов — входные сигналы должны иметь заметную динамику, поскольку лишь изменчивость входного сигнала позволяет выявить динамические свойства звена. Результаты подобных экспериментов обрабатываются алгоритмами решения так называемой задачи «черного ящика». Технология построения математических моделей путем решения этой задачи разработана и описана в [5]. Необходимым условием пассивных экспериментов служит наличие точек съема входных и выходных сигналов звена (системы).

Из приведенных описаний следуют программы экспериментов для решения каждой из трех указанных задач. Кратко охарактеризуем эти программы.

Задача 1а. Целью экспериментов служит получение передаточных функций всех блоков, входящих в структуру рис. 2.1. Каждый из блоков структуры (см. рис. 2.1) должен быть подвергнут активному или пассивному эксперименту. Результаты экспериментов в виде массивов позволят определить передаточные функции анализируемых блоков и, тем самым, сформировать полную математическую модель системы регулирования частоты. При проведении активных экспериментов должна быть обеспечена возможность автономной работы звеньев. Например, при экспериментах над звеньями с передаточных функций H и HN объекта управления регуляторы на время проведения эксперимента должны быть отключены.

Задача 1б. Целью экспериментов служит получение передаточных функций H и HN объекта. На время проведения экспериментов регуляторы системы управления должны быть отключены. В этих условиях возможно проведение лишь двух активных экспериментов, в процессе которых:

‑ для первого эксперимента смещается исполнительный механизм (ступенчато, на величину 0,1-0,2 от полного перемещения); фиксируются изменения частоты.

‑ для второго — изменяется нагрузка (ступенчатый наброс или сброс на величину 0,1-0,2 от максимальной); фиксируются изменения частоты.

Эти возмущения осуществляются независимо. Каждый эксперимент начинается после достижения установившегося режима работы объекта. Продолжительность времени экспериментов определяется в процессе проведения каждого из них по реакции объекта на соответствующее возмущение (максимальное время может составлять несколько минут).

Задача 1в. Целью экспериментов служит получение двух передаточных функций замкнутой системы регулирования (см. рис. 2.1), связывающих

‑ выходную переменную (частоту) с задающим воздействием ;

‑ выходную переменную (частоту) с величиной нагрузки N.

Так же, как и в предыдущем случае, осуществляются два независимых эксперимента, для проведения каждого из которых не требуется демонтаж или переключения в системе. Исходно система регулирования работает в штатном установившемся режиме, параметры которого фиксируются.

Первый эксперимент заключается в ступенчатом изменении задающего воздействия () на величину 0,1-0,2 от номинального значения и фиксации данных по изменению частоты до нового установившегося уровня (максимальное время эксперимента может составить 10 с). При этом величина нагрузки не меняется и соответствует значению, принятому в исходном установившемся режиме.

Второй эксперимент: ступенчатый наброс или сброс нагрузки на величину 0,1-0,2 от максимальной; фиксация изменений частоты. При этом значение задающего воздействия () соответствует номинальному, принятому в исходном установившемся режиме, и не меняется. Максимальное время эксперимента может составить 10 с.