Модель системы стабилизации стохастического биоинженерного объекта на множестве целевых состояний и синергетической теории управления
Ключевые слова:
нелинейный многомерный биоинженерный объект, оценка состояния, целевая макропеременная, макросостояние, инвариант системы, киберфизическая система, система синергетического стохастического управления, множественное управление, правило переключения регуляторов.Аннотация
Введение: разработка систем управления биотехническими объектами, характеризующимися плохой формализуемостью моделей и большим числом неконтролируемых параметров, является одной из актуальных задач современной биоинженерии. Недавно полученные методы синергетического синтеза регуляторов, апробированные на технических объектах, являются робастными по отношению к неопределенностям и возмущениям. Построение алгоритмов стабилизации биосистем на их основе представляет вполне определенный практический интерес для повышения надежности и увеличения времени функционирования биотехнических объектов с требуемым качеством. Цель: разработать модель множественного управления и реализующую ее алгоритмы достижения и стабилизации заданных целевых свойств биотехнического объекта управления. Методы: используется новый метод стохастического синергетического управления для проектирования локальных регуляторов, являющихся основой множественного управления. Результаты: предложены два алгоритма конструирования опорных регуляторов для реализации целевых макросостояний, обладающих свойством аттрактивности, и сформулированы их асимптотические свойства. Получены стохастический и на основе метода интегральной адаптации регуляторы для тестового объекта – анаэробного биореактора, представлены результаты численного моделирования, подтверждающие их робастность. Разработана функциональная модель для автоматизации процесса множественного регулирования и правило переключения регуляторов, апробированные на наборе из скалярного и векторного регуляторов, обеспечивающих заданные целевые макросостояния биореактора, а именно: увеличение выхода биогаза до заданного уровня, заданной степени очистки (не менее 90 %) и одновременное достижение этих показателей. Энергоэффективность множественного синергетического регулирования по сравнению с отдельным локальным регулятором достигала 15–18 % на тестовом объекте с нормальным стандартным шумом по каналу управления. Практическая значимость: физическая интерпретирумость и простота логики алгоритма аналитического конструирования опорных регуляторов представляют инженерный интерес, а модель множественного управления есть потенциальный инструмент автоматизации функционирования различных биоинженерных систем с мультистабильностью.
