Смекни!
smekni.com

Технология и автоматизация производства РЭА (стр. 23 из 37)

при решении таких систем все равно приходится проводить линеаризацию,

но только на уровне численных методов. Если объект описывается систе-

мой дифференциальных уравнений в частных производных, то решение такой

системы осуществляется с помощью численных методов, что, как уже ука-

зывалось выше, тоже линеаризация, только на более поздней стадии полу-

чения решения.

В том случае, если связи между входными и выходными параметрами

описать в виде дифференциального уравнения сложно (например, ввиду

слабой изученности природы объекта или влияние на выходные значения

параметров оказывают как физические, так и химические факторы, которые

составляют нерешаемую в данное время систему уравнений), используют

регрессионные модели - уравнения регрессии. В уравнениях такого вида и

используется принцип "черного ящика". Пусть связь между воздействием

х, управляющим технологическим процессом и переменной y, характеризую-

щей протекание этого процесса, выражается зависимостью y =f(х) (62),

которая заранее неизвестна. Требуется определить эту зависимость по

имеющимся экспериментальным данным. Иными словами, задача состоит в

том, что по имеющейся совокупности входных воздействий x 4i 0, i=1,...,n,

и соответствующих им выходных переменных y 4i 0, полученной в результате

эксперимента, определить вид зависимости y =f^(x), наилучшим образом

отражающей зависимость (62).

Эту задачу можно решить путем построения интерполяционного поли-

нома степени n-1, в точности проходящего через точки x 4i 0,y 4i 0 (известно,

что такой полином всегда существует). Однако на практике такое решение

оказывается неприемлемым ввиду того, то измерение значений происходит

с ошибками, поэтому построенный таким образом полином будет не столько

характеризовать объективную зависимость между величинами х и у, сколь-

ко характер ошибок измерения.

Таким образом, при построении модели процесса оказывается необхо-

димым отразить вид зависимости между входом и выходом, сгладив незако-

номерные случайные отклонения входной величины. Предположим, что эти

отклонения происходят по нормальному закону распределения с нулевым

средним (на практике это предположение обычно выполняется). Тогда y 4i

представляет собой случайные величины, распределенные по нормальному

закону с математическими ожиданиями f(x 4i 0) и дисперсиями s 4i 52 0, характе-

ризующими ошибки измерения. Предположим, что точность измерений во

всех точках одинакова, т.е. s 41 0=s 42 0=...=s 4n 0=s. Тогда плотность распреде-

ления вероятностей случайной величины y 4i

p 4i 0(y)=[1/(s- 7? 0(2 7p 0))]exp{[-y-f(x 4i 0) 52 0] /(2s 52 0)} (63).

Предположим, что в результате эксперимента происходит следующее

событие: случайные величины y 41 0,...,y 4n 0 принимают некоторые значения

y 41 0^,...y 4n 0^, равные результатам измерений. Задача заключается в том,

чтобы подобрать функцию f^(x) так, чтобы вероятность этого события бы-

ла максимальной. Для определения классов функций f^(x), в частности,

для функций, в которые искомые параметры входят линейно, при использо-

вании метода наименьших квадратов оказывается возможным определить не

только значения этих параметров, но и их важнейшие статистические ха-

рактеристики. Суть метода наименьших квадратов заключается в следую-

щем: функция f^(x) должна быть выбрана так, чтобы сумма квадратов отк-

лонений значений f^(x 4i 0) от измеренных значений y 4i 0^ была минимальной:

L= 7S 0[y^-f^(x 4i 0)] 52 0=min (64).

МНК обеспечивает идентификацию по принципу максимального правдо-


- 62 -

подобия при любом виде зависимости, связывающей входные воздействия и

выходные переменные процесса, этот метод работает в случае процессов

со многими входами и выходами, при использовании этого метода обычно

задаются видом функции f^(x) и в процессе идентификации (будет расс-

мотрено ниже), находят параметры, определяющие искомую функцию, кото-

рая удовлетворяет условию (64). Совокупность МНК и методов нахождения

этих статистических характеристик называется регрессионным анализом, а

сами модели - регрессионными моделями.

Простейшим примером регрессионной модели процесса с k входами

x 41 0,...,x 4k 0 и одним выходом y является уравнение y=a 41 0x 41 0+a 42 0x 42 0+...+a 4k 0x 4k 0+e

(65), где е - ошибки измерения.

Как видно из вышеизложенного, при построении модели объекта воз-

можно применение алгебраических методов, систем дифференциальных урав-

нений обычных и с частными производными и статистических методов -

регрессионого анализа, построенного на теории вероятности случайных

процессов и собственно сами методы теории вероятности.

Кроме статистических методов, уже достаточно хорошо отработанных,

в последнее время получили распространение методы нечетких (размытых)

множеств, особенно для непрерывных систем. Суть метода заключается в

следующем. Часто бывает необходимо формализовать качественную информа-

цию о процессе, который имеет большое количество факторов, влияющих на

его качество. Описание такого объекта системами уравнений в частных

производных не позволяет решить основную задачу - установить связь

между входом и выходом системы ввиду нерешаемости данной системы на

современном этапе развития вычислительной техники. При использовании

метода нечетких множеств вводятся отношения " больше", "меньше", "нам-

ного больше", "намного меньше", "чуть больше", "чуть меньше" и с по-

мощью этих отношений получают уравнение, которое решается известными

методами. Этот метод в своей сути имеет много общего с вероятностными

методами, где с определенной степенью допущения под соотношениями меж-

ду значениями переменных можно провести аналогию с вероятностью приня-

тия параметром того или иного значения.

При формализации качественной информации предполагается существо-

вание связи между нечетко определенными характеристиками и математи-

ческими объектами. Для таких параметров, как температура в технологи-

ческом агрегате, расход газообразного агента, давление, концентрация,

скорость движения среды и т.п. наличие такого соответствия очевидно. С

одной стороны, величине параметра ставится в соответствие числовая ко-

ордината с установленными на ней началом координат и мерой, а с другой

стороны - величину параметра описывают словесными высказываниями.

Пусть имеется множество Х параметров такого типа. Элементы x 4i 0сX,

обозначают названия параметров, например: температура, концентрация и

др. Количественной характеристикой x 4i 0 являются элементы u 4j 0сU. Множест-

во U представляет собой диапазон изменения параметров x 4i 0. При словес-

ном описании паре (x 4i 0,u 4j 0) ставится в соответствие нечеткий термин

q 4k 0сQ, Q- множество нечетких терминов. Иногда такого типа множества на-

зывают эмпирическими, т.е. множествами, элементы которых имеют не чис-

ловую природу. Примерами, как уже выше указывалось, являются такие не-

четкие термины как "высокий", "очень высокий", "низкий", "не очень

низкий" и др. Несмотря на то, что параметры такого типа могут быть из-

мерены, и их величина может быть выражена в числовом виде, на практике

это не всегда возможно в виду, например, агрессивности среды или очень

высокими значениями температур. В этом случае для получения количест-

венных характеристик может быть использована качественная информация,

прошедшая предварительную формализацию и адаптацию.

Существование словесных описаний параметров, которыми характери-

зуют качество вырабатываемой продукции. Здесь под качеством понимается

интегральная характеристика, которая складывается из ряда взаимосвя-


- 63 -

занных между собой компонентов, часть которых в отдельности не измеря-

ется методами количественного анализа, а контролируется визуально че-

ловеком. Примером такой характеристики является качество изделий из

стекла, которое оценивают по оптическим искажениям. На эту оценку су-

щественно влияют геометрия поверхности стекла, метод оценки, субъекти-

визм контролера. Потребность формализации качественной информации дик-

туется необходимостью решения следующих задач:

1. исключения субъективизма в оценках качества изделий;

2. разработки методов и технических решений для автоматической

классификации изделий;

3. нахождения взаимосвязей между показателями качества и техноло-

гическими параметрами. Чаще всего параметры данного типа не имеют

строго обоснованного математического аналога. Для их формализации при-

меняют метод экспертных оценок. Суть его заключается в выявлении мно-

жества нечетко определенных характеристик Q и сопоставлении его с мно-

жеством, имеющим числовую природу. Обычно выделяют следующие отношения

между рассматриваемыми объектами:

1. принадлежность к общему классу;

2. выражение порядка между объектами (например, параметр х 41 0 более

значим, чем х 42 0);

3. отношение эквивалентности в смысле принадлежности к общему

классу;

4. отношение порядка в системе. Названия параметров, между кото-

рыми устанавливается взаимосвязь, должны быть качественно совместимы в

смысле используемых отношений. В противном случае отношения между па-

раметрами могут не выполняться или потеряют смысл. Такая совместимость

обеспечивается на этапе качественного анализа исследователем.

Для описания модели поведения дискретных систем разработана тео-

рия конечных автоматов. Здесь допускается, что система имеет конечное

число состояний и из одного состояния в другое может переходить при

определенных условиях (ограничениях). Математический аппарат, применя-

емый в этом методе - теория множеств.