Оптимизация системы управления по модульному критерию качества

Розглядається інженерний метод оптимального налаштування аналогового ПІ регулятора. Для оптимізації систем керування запропоновано інтегральний критерій якості з мінімізацією керуючого впливу. З використанням методів оптимізації для одноконтурної системи керування чисельно визначена функціональна залежність оптимальних параметрів регулятора від динамічних властивостей об'єкта керування. Проведено порівняння результатів моделювання перехідних процесів у системі керування з використанням запропонованих та існуючих функціональних залежностей. Розрахункові формули відрізняються від існуючих простою структурою, високою точністю пошуку та забезпечують ефективне керування.The engineering method of optimal tuning of analog PI regulator is considered. The integral criterion of quality control with the minimization of control action for optimization of control systems is proposed. The difference of quality criteria from another is correct accounting of control action to technological process. That allows to minimize the material and/or power resources consumption at management of industrial assemblies. The functional correlation between regulator optimal parameters from the dynamical features of the control object using the methods of optimization theory for one-loop control system is numerically obtained. The results comparison of modeling of transient process in a control system with use of the introduced and existing functional dependences is researched. The design formulas as distinct from existing have a simple structure, high precision of the search and provide the effective control. The design formulas are recommended to use by specialists in automation for control system design and optimization of the existing.Рассматривается инженерный метод оптимальной настройки аналогового ПИ регулятора. Для оптимизации систем управления предложен интегральный критерия качества с минимизацией управляющего воздействия. Используя методы теории оптимизации для одноконтурной системы управления, численно определена функциональная взаимосвязь оптимальных параметров регулятора от динамических свойств объекта управления. Проведено сравнение результатов моделирования переходных процессов в системе управления с использованием предложенных и существующих функциональных зависимостей. Расчетные формулы отличаются от существующих простой структурой, высокой точностью поиска и обеспечивают эффективное управление

Синтез системы управления искусственным микроклиматом с использованием относительной влажности и влагосодержания воздуха в качестве параметра стабилизации

Розглядається синтез автоматичної системи керування (АСК) промислового кондиціонера в рамках єдиного комп’ютерно-інтегрованого комплексу із врахуванням технологічних зв’язків між кліматичним обладнанням, який передбачає, що у просторі стану із наявних математичних моделей кліматичного обладнання отримано комплексну динамічну модель промислового кондиціонера. В якості параметрів регулювання АСК промислових комплексів штучного мікроклімату (ПКШМ) запропоновано використовувати температуру та вологовміст повітря. Такий підхід дозволяє розмежувати вплив між контурами регулювання температури та вологості для єдиного матеріального потоку повітряної суміші. Якщо у двовимірній АСК ПКШМ в контурі регулювання вологості використовується вологовміст, інтегральні показники якості покращуються у 1.5 – 2 рази, також зменшується коливніть та тривалість перехідних процесів.The synthesis of the automatic control system (ACS) of industrial conditioner is examined within the framework of the single computer-integrated complex taking into account technological connections between a climatic equipment, that provides for that in space of the state from the present mathematical models of climatic equipment the complex dynamic model of industrial conditioner is got. In order to avoid the additional cooling and repeating of heating of air the modified method of management is realized in the "optimal mode" for that as parameters of adjusting ACS of industrial complexes of artificial microclimate (ICAM) it is suggested to use temperature and moisture content of the air. Such approach allows to dividing influence between the contours of adjusting of temperature and humidity for the single material stream of air mixture. A synthesis of ACS for an industrial conditioner is conducted, where or relative humidity, or moisture content of air, is used in the contour of adjusting of humidity. The quality of synthesized control system has been studied on the channels of indignation at equal terms. Basic principles of synthesis modern automatic control system for industrial conditioner are considered for a concrete example, that differ from traditional on such points. Firstly, it is an analysis of dynamics of heat- and mass-transfer of equipment of conditioner with creation of complex models of ICAM as a single object of management in the coordinates of temperature and moisture content of air. Secondly, cross-coupling of contours of adjusting of temperature and humidity did differentiation due to using of temperature and moisture content of air as parameters of adjusting. Thirdly, modern algorithms used for synthesis of optimal ACS ICAM. It is possible to draw a conclusion on the research, that the use of moisture content of air instead of relative humidity of air in the contour of stabilizing of humidity allows delimiting a cross-coupling between the contours of adjusting of temperature and humidity in two-dimensional ACS ICAM. If in two-dimensional ACSICAM in the contour of adjusting of humidity the moisture content is used, the integral indexes of quality in 1.5 – 2 times, as well as the shake and duration of transients diminish. The offered principles can be used by specialists on automation for an analysis and tuning of parameters of control system by industrial conditioners.Рассматривается синтез автоматической системы управления (АСУ) промышленного кондиционера в рамках единого компьютерно-интегрированного комплекса с учетом технологических связей между климатическим оборудованием, который предусматривает, что в пространстве состояния из имеющихся математических моделей климатического оборудования получена комплексная динамическая модель промышленного кондиционера. В качестве параметров регулирования АСУ промышленных комплексов искусственного микроклимата (ПКИМ) предложено использовать температуру и влагосодержание воздуха. Такой подход позволяет разделить влияние между контурами регулирования температуры и влажности для единого материального потока воздушной смеси. Если в двумерной АСК ПКИМ в контуре регулирования влажности используется влагосодержание, интегральные показатели качества улучшаются в 1.5 - 2 раза, также уменьшается колебательность та длительность переходных процессов

Динамическая модель тепломассообменных процессов в камере форсуночного увлажнения

Розглядається математичне моделювання динамічних процесів тепло- та масообміну для камери форсуночного зволоження, яка використовується в системах штучного мікроклімату для охолодження та адіабатного зволоження повітря. На основі рівнянь матеріального та теплового балансів отримано три рівноцінні моделі: у вигляді системи диференційних рівнянь; у просторі стану; у вигляді передатних функцій, які дозволяють проводити моделювання перехідних процесів у камері форсуночного зволоження за основними каналами впливу. Запропоновані математичні залежності зручно реалізувати у середовищі MatLAB. Приведено приклад моделювання перехідних процесів для форсуночного зволожувача промислового кондиціонера КЦКП-80, який виготовляється компанією ВЕЗА. Динамічна модель форсуночного зволожувача може використовуватися спеціалістами із автоматизації для аналізу та налаштуванню параметрів систем керування промислових кондиціонерів.Mathematical modeling of dynamic processes heat-mass exchange for a chamber of the sprayer moistening which is used in systems of an artificial microclimate for cooling and for the adiabatic moistening of air is observed. On the basis of the equations of material and thermal balance three equivalent models: in the form of systems of differential equations; state space; in the form of transfer functions, which allow to spend modeling of transients in a chamber of the sprayer moistening on the basic channels of influence are gained. Sampling of dynamic model is defined by methods of a control system synthesis of the industrial air conditioner and tastes of researcher. For raise of accuracy of mathematical calculations in paper experimental definition of factors heat-mass exchange which allows adapting dynamic model for concrete operating conditions of a chamber of the sprayer moistening is offered. The offered mathematical dependences are conveniently realized in the environment of Matlab. The instance of modeling of transients for sprayer humectants of air conditioner KCKP-80, which is manufactured by company VEZA is resulted. The gained transients have aperiodic character without delay. The analysis of transients after the possible channels of adjusting confirmed their high inertance, that is why during automation of industrial conditioners it follows to give up regulative influences in the chamber of the moistening after the change of temperature and expense of water on moistening. The dynamic model of sprayer humectants can be used by specialists on automation for the analysis and adjustment of parameters of control systems of industrial air conditioners.Рассматривается математическое моделирование динамических процессов тепло- и массообмена для камеры форсуночного увлажнения, которая используется в системах искусственного микроклимата. На основании уравнений материального и теплового балансов получено три равноценные модели: в виде системы дифференциальных уравнений; в пространстве состояний; в виде передаточных функций, которые позволяют провести моделирование переходных процессов в камере форсуночного увлажнения по основным каналам влияния. Предложенные математические зависимости удобно реализовывать в среде MatLAB. Приведен пример моделирования переходных процессов для форсуночного увлажнителя промышленного кондиционера КЦКП-80, который изготавливается компанией ВЕЗА. Динамическая модель форсуночного увлажнителя может использоваться специалистами по автоматизации для анализа и настройки параметров систем управления промышленными кондиционерами

ИНВАРИАНТНАЯ СИСТЕМААВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОМЕЖУТОЧНОГО СИГНАЛА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА

The usage of digital micro-processing automatic means allow to use design methods (technique) of automatic control systems  more wider, and also to apply optimal ways of control, for example, it is possible to combine the Method of structural-parameter optimization and invariance theory. This method allow to increase essential system speed in processing of task jump and to reduce operation time of outside external disturbance up to two  values of regulated influence, and the usage of invariance principle is based on an additional measuring of the most dangerous perturbation influence and in connection with it the improvement of regulation quality is achieved.In this article the principle of invariance is applied in order to improve greatly external disturbance attack by consumption of over-heated steam. Compensation of disturbance influence on regulated value is achieving by introduction of additional signal on input of correction regulator from output of compensation device, measuring the external disturbance by consumption of over-heated steam.Modeling results of transient processes of cascade system of automatic control (CSAC), on the base of which were realized the unity of these methods, demonstrated the fact that, in processing of external disturbance by consumption of steam, the reduction of maximal dynamic regulation error is six times and cutting of regulation time by 30 % in comparison with CSAC without compensation device of external disturbance. And that is why it leads to the further reduction of maximal dynamic regulation error in processing of external disturbance by consumption of steam, and this allows to improve the quality of control.Цифровые микропроцессорные средства автоматизации позволяют гораздо шире использовать приемы конструирования систем автоматического регулирования, а также применять в них оптимальные способы регулирования, например можно объединить метод структурно-параметрической оптимизации и теории инвариантности. Метод структурно-параметрической оптимизации позволяет существенно повысить быстродействие системы при отработке скачка задания и сократить время отработки крайнего внешнего возмущения до двух величин запаздывания по каналу регулирующего воздействия. Использование принципа инвариантности основано на дополнительном измерении наиболее опасного возмущающего воздействия, по отношению к которому и достигается улучшение качества регулирования.В данном исследовании для существенного улучшения отработки внешнего возмущения расходом перегретого пара применен принцип инвариантности. Компенсация влияния возмущения на регулируемую величину достигается за счет введения дополнительного сигнала на вход корректирующего регулятора с выхода устройства компенсации соответствующей структуры. При этом внешнее возмущение измерено расходом перегретого пара.Результаты моделирования переходных процессов каскадной системы автоматиче- ского регулирования, на базе которой было реализовано объединение указанных методов, показали, что при отработке внешнего возмущения расходом пара происходит уменьшение максимальной динамической ошибки регулирования в шесть раз и сокращение времени регулирования на 30 % по сравнению с каскадной системой без устройства компенсации внешнего возмущения. При этом уменьшение заданной постоянной времени критерия оптимальности отработки задания по основной регулируемой величине ведет к дальнейшему уменьшению максимальной динамической ошибки регули- рования при отработке внешнего возмущения расходом пара, что и далее позволяет повысить качество регулирования

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОПТИМАЛЬНЫХ НАСТРОЕК СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПО КАНАЛУ ВОЗМУЩЕНИЯ

In the process of automatic control system debugging the great attention is paid to determining formulas’ parameters of optimal dynamic adjustment of regulators, taking into account the dynamics of Objects control. In most cases the known formulas are oriented on design of automatic control system through channel “input-output definition”. But practically in all continuous processes the main task of all regulators is stabilization of output parameters. The Methods of parameters calculation for dynamic adjustment of regulations were developed. These methods allow to optimize the analog and digital regulators, taking into account minimization of regulated influences. There were suggested to use the fact of detuning and maximum value of regulated influence. As the automatic control system optimization with proportional plus reset controllers on disturbance channel is an unimodal task, the main algorithm of optimization is realized by Hooke – Jeeves method. For controllers optimization through channel external disturbance there were obtained functional dependences of parameters calculations of dynamic proportional plus reset controllers from dynamic characteristics of Object control. The obtained dependences allow to improve the work of controllers (regulators) of automatic control on external disturbance channel and so it allows to improve the quality of regulation of transient processes. Calculation formulas provide high accuracy and convenience in usage. In suggested method there are no nomographs and this fact expels subjectivity of investigation in determination of parameters of dynamic adjustment of proportional plus reset controllers. Functional dependences can be used for calculation of adjustment of PR controllers in a great range of change of dynamic characteristics of Objects control.В процессе наладки систем автоматического управления обычно отдают предпочтение элементарным формулам определения параметров оптимальной динамической настройки регуляторов, учитывающим динамику объектов управления. В большинстве случаев известные формулы ориентированы на расчет систем автоматического управления по каналу «задание – выход». Однако практически для всех непрерывных процессов основной задачей регуляторов является стабилизация выходных параметров на заданных значениях.Разработана методика расчета параметров динамических настроек регуляторов, учитывающая динамику крайнего внешнего возмущения. Данная методика позволяет оптимизировать аналоговые и цифровые регуляторы с учетом минимизации регулирующих воздействий. При этом для оптимизации регуляторов предлагается использовать функционал, учитывающий рассогласование и максимальную величину регулирующего воздействия. Так как оптимизация системы автоматического управления с ПИ-регулятором по каналу возмущения является унимодальной задачей, то основной алгоритм оптимизации реализован по методу Хука – Дживса. Для оптимизации регуляторов по каналу внешнего возмущения получены функциональные зависимости расчета параметров динамической настройки ПИ-регулятора от динамических свойств объекта управления. В отличие от существующих методов полученные зависимости позволяют оптимизировать регуляторы автоматического управления по каналу внешнего возмущения как с учетом динамических характеристик объекта управления по каналу регулирующего воздействия, так и по динамическим характеристикам канала крайнего внешнего возмущения, что, несомненно, улучшает качество регулирования переходных процессов. Расчетные формулы обеспечивают высокую точность и удобны для практического использования. В предложенном методе отсутствуют графические номограммы, что исключает субъективность исследователя при определении параметров динамической настройки ПИ-регуляторов. Функциональные зависимости могут применяться для расчета настройки ПИ-регуляторов в широком диапазоне изменения динамических свойств объектов управления

Using a human cardiovascular-respiratory model to characterize cardiac tamponade and pulsus paradoxus

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Cardiac tamponade is a condition whereby fluid accumulation in the pericardial sac surrounding the heart causes elevation and equilibration of pericardial and cardiac chamber pressures, reduced cardiac output, changes in hemodynamics, partial chamber collapse, pulsus paradoxus, and arterio-venous acid-base disparity. Our large-scale model of the human cardiovascular-respiratory system (H-CRS) is employed to study mechanisms underlying cardiac tamponade and pulsus paradoxus. The model integrates hemodynamics, whole-body gas exchange, and autonomic nervous system control to simulate pressure, volume, and blood flow.</p> <p>Methods</p> <p>We integrate a new pericardial model into our previously developed H-CRS model based on a fit to patient pressure data. Virtual experiments are designed to simulate pericardial effusion and study mechanisms of pulsus paradoxus, focusing particularly on the role of the interventricular septum. Model differential equations programmed in C are solved using a 5^th-order Runge-Kutta numerical integration scheme. MATLAB is employed for waveform analysis.</p> <p>Results</p> <p>The H-CRS model simulates hemodynamic and respiratory changes associated with tamponade clinically. Our model predicts effects of effusion-generated pericardial constraint on chamber and septal mechanics, such as altered right atrial filling, delayed leftward septal motion, and prolonged left ventricular pre-ejection period, causing atrioventricular interaction and ventricular desynchronization. We demonstrate pericardial constraint to markedly accentuate normal ventricular interactions associated with respiratory effort, which we show to be the distinct mechanisms of pulsus paradoxus, namely, series and parallel ventricular interaction. Series ventricular interaction represents respiratory variation in right ventricular stroke volume carried over to the left ventricle via the pulmonary vasculature, whereas parallel interaction (via the septum and pericardium) is a result of competition for fixed filling space. We find that simulating active septal contraction is important in modeling ventricular interaction. The model predicts increased arterio-venous CO₂due to hypoperfusion, and we explore implications of respiratory pattern in tamponade.</p> <p>Conclusion</p> <p>Our modeling study of cardiac tamponade dissects the roles played by septal motion, atrioventricular and right-left ventricular interactions, pulmonary blood pooling, and the depth of respiration. The study fully describes the physiological basis of pulsus paradoxus. Our detailed analysis provides biophysically-based insights helpful for future experimental and clinical study of cardiac tamponade and related pericardial diseases.</p

CALCULATION METHODS OF OPTIMAL ADJUSTMENT OF CONTROL SYSTEM THROUGH DISTURBANCE CHANNEL

In the process of automatic control system debugging the great attention is paid to determining formulas’ parameters of optimal dynamic adjustment of regulators, taking into account the dynamics of Objects control. In most cases the known formulas are oriented on design of automatic control system through channel “input-output definition”. But practically in all continuous processes the main task of all regulators is stabilization of output parameters. The Methods of parameters calculation for dynamic adjustment of regulations were developed. These methods allow to optimize the analog and digital regulators, taking into account minimization of regulated influences. There were suggested to use the fact of detuning and maximum value of regulated influence. As the automatic control system optimization with proportional plus reset controllers on disturbance channel is an unimodal task, the main algorithm of optimization is realized by Hooke – Jeeves method. For controllers optimization through channel external disturbance there were obtained functional dependences of parameters calculations of dynamic proportional plus reset controllers from dynamic characteristics of Object control. The obtained dependences allow to improve the work of controllers (regulators) of automatic control on external disturbance channel and so it allows to improve the quality of regulation of transient processes. Calculation formulas provide high accuracy and convenience in usage. In suggested method there are no nomographs and this fact expels subjectivity of investigation in determination of parameters of dynamic adjustment of proportional plus reset controllers. Functional dependences can be used for calculation of adjustment of PR controllers in a great range of change of dynamic characteristics of Objects control

INVARIAN AUTOMATIC CONTROL SYSTEM, USING THE INTERMEDIATE-FREQUENCY SIGNALS OF HEAT POWER PARAMETERS

The usage of digital micro-processing automatic means allow to use design methods (technique) of automatic control systems  more wider, and also to apply optimal ways of control, for example, it is possible to combine the Method of structural-parameter optimization and invariance theory. This method allow to increase essential system speed in processing of task jump and to reduce operation time of outside external disturbance up to two  values of regulated influence, and the usage of invariance principle is based on an additional measuring of the most dangerous perturbation influence and in connection with it the improvement of regulation quality is achieved.In this article the principle of invariance is applied in order to improve greatly external disturbance attack by consumption of over-heated steam. Compensation of disturbance influence on regulated value is achieving by introduction of additional signal on input of correction regulator from output of compensation device, measuring the external disturbance by consumption of over-heated steam.Modeling results of transient processes of cascade system of automatic control (CSAC), on the base of which were realized the unity of these methods, demonstrated the fact that, in processing of external disturbance by consumption of steam, the reduction of maximal dynamic regulation error is six times and cutting of regulation time by 30 % in comparison with CSAC without compensation device of external disturbance. And that is why it leads to the further reduction of maximal dynamic regulation error in processing of external disturbance by consumption of steam, and this allows to improve the quality of control

Синтез багатовимірної системи керування для прецизійного комплексу штучного мікроклімату

The article considers the synthesis procedure for multidimensional digital controller embedded into industrial artificial microclimate systems. The methodology is proposed for constructing the complex dynamic mathematical model for industrial air conditioners represented in the state space of a combined multidimensional controlled system. An analysis of possible control system optimization criteria is performed. Also, the synthesis procedure for an optimal multidimensional digital linear quadratic controller is given. The feedback matrix is synthesized that determines the control vector optimal trajectory using controlled system states by minimizing the quadratic quality criterion. The proposed multidimensional linear digital controller has a feature of logical selection for elements of industrial equipment for performing the optimal control of a microclimate conditioner. The proposed approach allows for reconfiguring the synthesis procedure for the industrial conditioners automatic control system on the basis of delimiting the mutual influence of control parameters.Рассмотрена процедура синтеза многомерного цифрового регулятора для промышленных систем искусственного микроклимата. Для промышленных кондиционеров предложена методика разработки комплексной динамической математической модели в пространстве состояний как единого многомерного объекта управления. Выполнен анализ критериев для оптимизации системы управления кондиционером. Рассмотрена процедура синтеза оптимального многомерного линейно-квадратичного цифрового регулятора и синтезирована матрица обратной связи, которая по параметрам состояния объекта управления определяет траекторию движения вектора оптимального воздействия и минимизирует квадратичный критерий качества. Такой многомерный линейно-квадратический цифровой регулятор отличается наличием логического выбора оборудования для осуществления оптимального управления климатическим оборудованием кондиционера. Такой подход позволяет переосмыслить процедуру синтеза автоматической системы управления для промышленных кондиционеров на основе разграничения взаимного влияния регулирующих параметров.Розглянуто процедуру синтезу багатовимірного цифрового регулятора для промислових систем штучного мікроклімату. Для промислових кондиціонерів запропоновано методику розроблення комплексної динамічної математичної моделі в просторі станів як єдиного багатовимірного об'єкта управління. Виконано аналіз критеріїв для оптимізації системи управління кондиціонером. Розглянуто процедуру синтезу оптимального багатовимірного лінійно-квадратичного цифрового регулятора та синтезовано матрицю зворотного зв'язку, яка за параметрами стану об'єкта управління визначає траєкторію руху вектора оптимального впливу і мінімізує квадратичний критерій якості. Запропонований багатовимірний лінійно-квадратичний цифровий регулятор відрізняється наявністю логічного вибору обладнання для здійснення оптимального управління кліматичним устаткуванням кондиціонера. Такий підхід дозволяє переосмислити процедуру синтезу автоматичної системи управління для промислових кондиціонерів на основі розмежування взаємовпливу регулювальних параметрів

How much do plastic surgeons add to the closure of myelomeningoceles?

Purpose This study reviews the outcomes of children undergoing myelomeningocele (MMC) repair in the paediatric neurosurgical department in Cardiff. These procedures are historically performed by paediatric neurosurgeons with occasional support from plastic surgeons for the larger lesions. We reviewed the postoperative outcomes over a 9-year period to assess the efficacy of having a plastic surgeon present at all MMC closures. Methods Analysis of a prospectively collected database of all MMC closures performed at University Hospital Wales from April 2009 to August 2017 was used. Comparison was made with the published literature especially with regard to complications. Results Thirty-one children, 13 males and 18 females, underwent MMC closure over the 9-year period. Twenty-four (77.4%) defects were closed by direct approximation. Seven patients (22.5%) required a more complex plastic procedure to obtain closure. Two patients (6.5%) had a wound complication, one wound infection and one flap edge necrosis both healing with dressings alone. Two patients had cerebrospinal fluid (CSF) leaks that responded to ventriculo-peritoneal shunting. Two patients died from unrelated conditions during the study period. Conclusion In our series, 7/31 (22.5%) cases involved a more complex closure in keeping with the literature. The authors feel that having the plastic surgeon at all closures has led to a low wound complication rate