ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ КРИТЕРІЇВ ОПТИМІЗАЦІЇ НА ЕФЕКТИВНІСТЬ РОБОТИ ЕКСТРЕМАЛЬНОЇ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ

Анотація

Розглянуто актуальну задачу підвищення ефективності та надійності автоматичних систем керування (АСК) промисловим обладнанням в умовах зміни його техніко-експлуатаційного стану. Обґрунтовано, що такі явища, як знос, перевантаження чи зміна властивостей сировини, спричиняють зміни в акустичних характеристиках (звучанні) обладнання. Для моніторингу цих змін пропонується використання методів звукової дефектоскопії як відносно дешевого та гнучкого інструменту, здатного в реальному часі виявляти аномальні режими роботи. У роботі запропоновано підхід до адаптації АСК, що базується на екстремальному керуванні. У цій структурі блок звукової дефектоскопії виконує роль детектора, який фіксує відхилення від номінального режиму та ініціалізує алгоритм оптимізації для переналаштування системи керування до нових умов. Оскільки ключовим фактором, що визначає поведінку системи у разі такої адаптації, є вибраний критерій оптимізації, метою роботи є дослідження впливу цього критерію на ключові показники якості перехідного процесу (швидкодію, точність, стійкість) екстремальної системи. Дослідження спрямоване на формування рекомендацій щодо вибору критерію залежно від конкретних виробничих цілей (наприклад, мінімізація енергоспоживання, максимізація продуктивності, мінімальний час стабілізації). У роботі проведено порівняльний аналіз функціонування екстремальної системи керування у разі використання різних інтегральних та специфічних критеріїв оптимізації. Досліджено класичні інтегральні критерії, такі як інтеграл від квадрата похибки (ISE), що сильно штрафує за великі відхилення, та інтеграл від зваженої за часом абсолютної похибки (ITAE), чутливий до тривалих залишкових похибок. Також розглянуто один з найбільш «суворих» критеріїв – інтеграл від зваженого за часом квадрата похибки (ITSE), який поєднує штрафи за амплітуду та тривалість похибки. Додатково проаналізовано статистичний критерій середньоквадратичної похибки (MSE) та два цільових підходи: критерій, орієнтований лише на мінімізацію похибки (Error-only), та енергоефективний критерій (Energy-aware), що балансує точність та «вартість» керуючого впливу (енергоспоживання, знос). Дослідження проводилося шляхом аналізу графіків перехідних процесів (зміна відхилення, керуючого впливу та виходу системи) після програмної фіксації аномалії. У результаті дослідження встановлено, що вибір критерію оптимізації кардинально впливає на динаміку відновлення системи. Критерії ITSE та ITAE демонструють найкращу швидкодію щодо придушення похибки та найшвидший вихід на новий усталений рівень (проходження порога ±2%), однак це досягається ціною значних коливань керуючого впливу, що може бути небажаним для виконавчих механізмів. Критерії ErrorOnly та MSE реагують агресивніше, що супроводжується вищим початковим перерегулюванням вихідної величини, але є виправданим, коли пріоритетом є виключно точність, а енерговитрати не є критичними. На противагу, критерій EnergyAware забезпечує найбільш плавну динаміку керування з мінімальними піками, що знижує енерговитрати та знос обладнання, проте характеризується значно повільнішим зближенням до нового режиму та потенційним невеликим відхиленням від еталонного усталеного стану.