Об идентификации динамических характеристик объектов управления систем автоматизации
Первые реализованные в системах управления методы идентификации динамических характеристик были основаны на использование частотных, ступенчатых и импульсивных воздействий. Большинство этих методов применяются для линейных процессов, однако их можно использовать и в линеаризованных системах, если уровни сигналов велики. Для реализации этих методов необходимы специальные входные сигналы: ступенчатые - для идентификации по ступенчатой переходной функции, импульсивные - идентификации по импульсивной переходной функции и синусоидальные - с различными частотами для определения частотной характеристики. Поскольку вместо входных сигналов, соответствующих нормальному режиму работы, требуются специальные, то эти методы предполагают идентификацию вне процесса управления. Поэтому указанные методы могут служить для неоперативной идентификации линейных стационарных процессов автоматизированных систем с одним входом или процессов с несколькими входами при условии, что в данный момент времени используется лишь одна из них. При этом не требуется, чтобы особенно в случае применения ступенчатого и импульсивного входного воздействия.
Из трех типов входных сигналов ступенчатый сигнал является наиболее простым для применения (он соответствует, например, открыванию или закрыванию входного клапана либо включению или выключению входного напряжения), тогда как для подачи синусоидального входного сигнала требуется формирование синусоидальных возмущений и изменение частоты в соответствующем диапазоне. При идентификации по импульсивному воздействию часто возникают технические трудности, связанные с формированием и использованием импульсивных входных сигналов. Этот метод нельзя применить к линеаризованным системам, так как амплитуда импульса по определению не может быть малой.
Идентификация с помощью частотной характеристики использует амплитудные частотные характеристики. Метод основан на преобразовании Лапласа для отношения входи и выхода.
Частотная характеристика определяется при подаче синусоидальных входных сигналов от инфранизкочастотных генераторов соответствующей физической природы на различных частотах и записи соответствующих выходных сигналов автоматизированных систем с помощью инфранизкочастотного фазометра. Для получения частотной характеристики величины и определяются для каждой рассматриваемой частоты. Полученную частотную характеристику систем управления технологическими процессами можно использовать для определения передаточной частотных характеристик.
Амплитуду входного сигнала следует выбирать в зависимости от особенностей системы и ожидаемых условий работы. Так, например, если сигнал на входе в нормальных условиях является случайной функцией, то амплитуда обычно выбирается приблизительно равной ее ожидаемому среднеквадратическому значению. Если же на вход систем управления технологическими процессами в нормальных условиях эксплуатации поступает последовательность ступенчатых функций с промежутками между ними, превышающими время переходного процесса, то амплитуда выбирается несколько меньшей амплитуды типовой ступенчатой функции. Однако в любом из этих случаев частотные характеристики снимаются при различных амплитудах входного сигнала, прежде всего для того, чтобы установить область линейности объекта, то есть область, в которой характеристики не зависят от амплитуды входного сигнала. Линейность или нелинейность системы легко также установить, наблюдая форму сигнала на выходе объекта.
Если объект состоит из нескольких динамических элементов, то желательно наблюдать форму сигнала на выходе каждого из них, так как выход объекта может иметь почти гармоническую форму сигнала при существенно нелинейных характеристиках промежуточных элементов.
Идентификация с помощью импульсивной переходной функции. В основе методов определения характеристик для детерминированных объектов.
Наиболее простой метод определения импульсивной переходной функции состоит в том, что на вход подается импульс достаточно малой продолжительностью.
Продолжительность импульса не должна превышать одной четвертой от наименьших значений постоянных времени объекта. Другой критерий состоит в том, что продолжительность импульса не должна превышать наименьшего из промежутков времени, в течение которого переходная функция может существенно измениться.
Применение типовых воздействий в виде скачка или импульса не всегда желательно. Кроме того, полученные в виде графиков переходные функции не имеют удобной аналитической формы для дальнейшего использования. Быстрота проведения эксперимента не компенсирует длительной и связанной со значительными погрешностями работы систем управления технологическими процессами по аппроксимации переходного процесса.
Корреляционные методы идентификации динамики линейной системы основаны на использование белого шума в качестве входного сигнала и имеют ряд преимуществ:
- идентификацию можно проводить независимо от записей реализацией сигналов, получаемых в процессе нормального функционирования системы;
- вычисление корреляционных функций на достаточно длинном временном интервале позволяет снизить амплитуду пробного воздействия так, чтобы объект систем автоматизации не испытывал существенных возмущений;
- не требуются априорные сведения об идентифицируемой системе;
Однако серьезные недостатки ограничивают применение корреляционных методов:
- решение задачи часто требует слишком много времени;
- использование белого шума вызывает необходимость в дополнительной аппаратуре;
- метод применим лишь к линейным системам с медленно меняющимися характеристиками;
- трудности, связанные с некорректность задачи решения системы интегральных уравнений.
Методы идентификации импульсивной переходной характеристики пот корреляционным функциям могут использоваться для идентификации систем автоматизации в реальном времени, если амплитуда шума достаточно мала. В случае, когда проявляется коррелированность входов и при недостаточной точности измерений, необходимо применять специальные приемы для регуляризации решений, поскольку сказывается некорректность задачи.
