научная статья по теме ПРИЛОЖЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ ВОЛЬТЕРРА I РОДА К ЗАДАЧЕ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИКОЙ ТЕПЛООБМЕНА Автоматика. Вычислительная техника

Текст научной статьи на тему «ПРИЛОЖЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ ВОЛЬТЕРРА I РОДА К ЗАДАЧЕ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИКОЙ ТЕПЛООБМЕНА»

Автоматика и телемеханика, № 6, 2011

(g 2011 г. С.В. СОЛОДУША, канд. физ.-мат. наук (Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, Иркутск)

ПРИЛОЖЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ ВОЛЬТЕРРА I РОДА К ЗАДАЧЕ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИКОЙ ТЕПЛООБМЕНА1

Рассматривается один класс нелинейных интегральных уравнений Вольтер-ра I рода, связанный с задачей автоматического управления нелинейной динамической системой (объектом) типа черного ящика с векторным входом при условии отсутствия обратной связи по выходу. Специфика алгоритмов проиллюстрирована на примере математического моделирования нелинейных процессов теплообмена.

Одна из типовых задач автоматического управления техническими (энергетическими) объектами связана с поиском входного возмущения нелинейной динамической системы, которому отвечает заданный (желаемый) выходной сигнал. Применению функциональных рядов для исследования нелинейных систем управления посвящено большое количество работ (см., например, библиографию в [1]). В приложениях нередко нелинейные динамические объекты типа черного ящика моделируются с помощью аппарата интегро-степенных рядов Вольтерра.

Полином Вольтерра Ж-й степени, отображающий х(£) в $(¿), имеет следующий вид:

где х(£), $(¿) - скалярные функции времени, причем $(0) = 0, $'(¿) € С*[о,т], ядра Кт, т = 2, N, симметричны по переменным вх,..., зт.

Предположим, что задача идентификации ядер Вольтерра Кт, т = 1, ТУ, в (1) решена, например, по методике [2-6]. Помимо нужной гладкости исходных данных в (1) будем предполагать, что К1(Ь,Ь) =0 Ш € [0, Т].

Ставится задача регулирования нелинейного динамического объекта, которая может быть сведена к поиску управляющего воздействия х (£), являющегося решением (1). В этом случае (1) является полиномиальным уравнением Вольтерра I рода Ж-й степени, непрерывное решение которого, вообще говоря, носит локальный характер.

Теории и численным методам решения таких уравнений посвящена серия работ [7-11]. Фундаментальные результаты общего характера, относящиеся к нелинейным интегральным (операторным) уравнениям, изложены в [12-14], а в [15] приведены результаты исследования единственности решения билинейного уравнения Вольтерра II рода.

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 09-01-00377).

1. Введение

(1)

В случае нескольких входов разной физической природы, так что х(4) = (х1(4),... ..., хр(4)), уравнение (1) включает дополнительные слагаемые, отражающие вклад в выходной сигнал одновременного изменения двух, трех и т.д. компонент вектор-функции х (4). Пусть х (4) = (ж1 (4), Ж2 (4)). Рассмотрим наиболее интересный для приложений случай N = 2.

Теперь вместо (1) имеем

(2)

2 4

! к1(г, 8)х1(з)йз +

+ у I к^(1,аъа2)х., (з^х^^з^ = /(4), 4 е [0,Т]

4=1о о

где для определенности возмущение х2 (4) считается заданным, выход /(4) - скалярная функция, причем f (0) = 0, /'(4) е С[о,т], ядра Кц, г = 1, 2, симметричны по переменным в1, в2. Формирование управляющего воздействия х1(4) будем проводить в условиях отсутствия текущей информации, получаемой на основе измерений выхода объекта.

Для понимания специфики (2) ограничимся случаем постоянных ядер: Кг = = кг, > 0, К^ = к^г, 1 ^ з ^ г ^ 2. Выберем ^22 = 0 (это выполняется, в частности, для некоторых моделей теплофизических процессов). Не уменьшая общности, зададим к1 = 1, так что (2) принимает вид

(3)

4

1 + к12 J X2(s)ds

о

J Xl(s)ds + кц | J х1(з)йв| + + к2 J X2(s)ds = !(4), 4 е [0,Т] .

Непрерывное решение (3) существует, вообще говоря, при некотором малом Т > 0. Таким образом, важно не только найти точное решение соответствующего уравнения, но и определить Т* - гарантированную область его существования.

В серии работ [7-11] при исследовании полиномиальных уравнений Вольтерра I рода разработана техника получения неулучшаемых оценок решений нелинейных интегральных неравенств, основанная на введении так называемых мажорантных (функциональных, дифференциальных, интегральных) уравнений.

2. Специфика полиномиального уравнения (3)

Основная цель данного раздела - получить мажорантные оценки решения (3) х1 (4). Предположим, что допустимое входное возмущение есть

х2(4) е X = |Ле(4), Л е Д, 4 е [0, Т]},

здесь е(4) - функция Хевисайда.

По аналогии с [7-11], рассмотрим мажорантное интегральное уравнение для (3) в виде

4 /4 4 2

(4) (1 - М12Ь4) у ф^^ - М11 I I ф^^ | = Д4, 4 е [0,Т]

оо

2

где М12 = |&12| > 0, Ь = |Л| > 0, Ми = |&п| > 0, ^ = ^ + М2Ь, М2 = |&2| > 0, ^ = 0гпах^ |$'(¿)| > 0, так что |$(¿)| < П.

Заменой

ъ

(5) в (*) = У ^(«М«

решение уравнения (4) может быть сведено к нахождению решения задачи Коши

<е> »'«>=т^Ш^кь, •(»>=»■

и его дифференцированию. Так как замена (5) сводит (4) к квадратному относительно в(£) уравнению

(1 - М12Ь^ в(£) - Мив2^) = П, то его решение, удовлетворяющее условию в(0) = 0, имеет вид

1 - м^ь* - ^(м12ы -1)2 -шпРг

(7) в*(*) =

2М11

Ясно, что (7) является и точным решением мажорантной задачи Коши (6).

Таким образом, если исходным данным в (3) отвечает набор М2, М11, М12, Ь), то непрерывное решение уравнения (3) хЦ (¿) заведомо существует и единственно на [0,Т], где

М12Ь + 2МпР - МпР(М12Ь + МпР) Т < = ЩР '

причем справедливо неравенство

|х 1 (¿)| < г € [0,Т*),

где

М12Ь(1 - м12ьг) + 2М11т^ М12Ь

2М11 ^(М12Ы-1)2 -4Мпй 2Мх 1

Для иллюстрации полученных формул приведем следующий пример. Пример 1. Пусть ^ = М2 = М11 = М12 = Ь = 1. Тогда

Т* = 5- 2\/6 « 0,101; в*(Т*) = <Л- 2 « 0,449; 0*(*) = ^ (1 - * - ^ - I)2 - 8*) , 0, л/б — 2

К — + 1 г \

^ 1 ; 2^-1)2 2' 1_ ' )

3. Построение численной схемы

Пусть нелинейный динамический объект с входными воздействиями Ж1 (4), ж (4) и откликом (¿) моделируется с помощью полинома Вольтерра второй степени в форме

г г г

(8) У К1(81)Х1(* - + J ! Хц(в1, в2)ж1(4 - в1)ж1(4 - 52)^1^2 +

0 0 0 г

+ /^(«1)^2(4 - +

0

г г

+ j у ^12(«1, «2)^1(4 - Й1)Х2(4 - «2)^1^2 = Уто^(4), 4 € [0, Т]

00

((8) соответствует случаю (2), когда система стационарна, т.е. ядра Вольтерра не зависят явно от времени, при этом симметрично по обеим переменным).

Будем считать для простоты, что Ж1 (4), Ж2 (4), (4) - отклонения соответствующих сигналов от своих стационарных значений.

Пусть в (8) ядра уже идентифицированы. Рассмотрим в качестве «эталонной» динамической системы математическую модель переходного процесса в элементе теплообменного аппарата, предложенную в [16, 17].

Согласно [16] зависимость возмущения энтальпии Дгег (4) (кДж/кг) теплоносителя на выходе теплообменника от возмущения расхода теплоносителя ДД (4) (кг/с) и возмущения энтальпии на входе дцп (4) (кДж/кг), 4 € [0,Т], имеет следующий вид:

} ( -А1 } Б(Е)<1Е / В(Е)ЛД

(9) Дгег (4) = С\ дД I е - - е - 1 ^ +

Г / -А1 } П(е)ае -А2 } 0(е)йе

+ с^ Д (^)Дг»п Ы I 71е - - 72 е - |

^Л^ Л1Л2

— ТГТ^-ГТ> -

До (Л2 - Л1)' ^ (Л1 - Л2)"

В (9) Д0 и - стационарные значения расхода воды (кг/с) и теплоподвода (кВт) соответственно, Д (4) = Д0 + ДД (4), - полная масса теплоносителя, 71 и 72 -константы, Л1 и Л2 - корни характеристического уравнения некоторой системы двух обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка.

Задача выбора ДД (4), который обеспечивает при заданном Дг^, (4) нулевое отклонение отклика системы от своего стационарного значения, сводится к полиномиальному (относительно управляемого параметра ДД (4)) уравнению Вольтерра I рода (8), где Ж1(4) = ДД(4), Ж2(4) = Дг»„, уто^(4) = Дгег(4).

Численным методам решения полиномиальных уравнений Вольтерра I рода Ж-й степени (Ж = 2, 3) в скалярном случае посвящены [10, 18].

Допустим, что численное решение полиномиального уравнения (8) существует. Найдем его кубатурным методом средних прямоугольников. Введем сетку узлов г = 1 ,п, п1г = Т. Аппроксимируем интегралы в (8) суммами. Сеточный аналог (8), отвечающий формуле средних прямоугольников, принимает в очевидных обозначе-

ниях вид следующей системы нелинейных алгебраических уравнений:

(10)

¿=1

г=1

+

+ /72УУА'Ц . .АД? ¿=1г=1

¿=1

2,- 1А4. ., ! +Дг£10,

Раскрывая скобки и группируя слагаемые в (10), получаем квадратное уравнение

относительно Д_0Л в (г — узле

(11)

+ _ + 'Иг ± , А + /г2 X КЩ ^ А ] АВЦ

г

= + 1 +Н

' * — о' г — .7 + тт

г=1

то^г

¿=1

где

/г V А'! , ДА»Л ., 1 + /г2 У У А'ц , , ДА»Л ., ! ДВн

¿=2 гг

¿=2 1=2

'г-1+\ +

¿=2 г=1 2

Выбор нужного корня уравнения (11) определяется условием [18]

дд\ ^ ДД (0)

^пгоЛ 0) А'1 (0)

при к ^ 0, исходя из которого получаем сеточную аппроксимацию решения на базе формулы средних прямоугольников.

Изложенная схема была внедрена в программный комплекс «Динамика», позволяющий проводить идентификацию и тестирование квадратичной модели (8) применительно к математической модели (9) теплообменного аппарата. Ядра Вольтерра были идентифицированы с помощью откликов эталонной модели (9) на некоторое семейство тестовых входных сигналов ДД (£), Дгг„ (£). При решении квадратного уравнения (11) использовались сеточные аналоги ядер Вольтерра, полученные по методике [5, 6].

Как было замечено ранее, основная специфика уравнения вида (8) связана с локальностью области существования его вещественного непрерывного решения.

Для иллюстрации данной специфики приведем следующий пример.

Пример 2. Полагаем гг„0 = 434 (кДж/кг), Д0 = 0,16 (кг/с), = 100 (кВт). Время переходного процесса Т = 15, к =1 (с). Такой выбор шага к связан с реальными данными, полученными в ходе эксперимента на высокотемпературном контуре Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН.

2

2

%

90 80 70 60 50 40 30 20 10

0 3 6 9 12 13 t 15

-■- Aijt) (%), -ьг- AD(t) (%)

Вычислительный эксперимент.

Амплитуды тестовых входных сигналов, используемых для идентификации модели (8), составили 90% ß0 и 50% ¿¿П0.

На рисунке представлены возмущающее воздействие и расчетные значе-

ния решения Aß^, которые порождают (желаемый) выходной сигнал = 0.

Численные результаты показывают, что интервал существования решения Aß (t) в данном случае достаточно мал: 0 ^ t ^ 13 (с).

4. Заключение

В работе рассмотрен один класс нелинейных интегральных уравнений Вольтер-ра I рода, связан

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком