Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ОПЕРАТИВНАЯ КОРРЕКТИРОВКА НАСТРОЕЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ РЕГУЛЯТОРОВ ПРИ КОСВЕННОМ УПРАВЛЕНИИ

Захарова О.В. 1 Раков В.И. 1
1 ФГБОУ ВО «Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева»
Сформулирована общая потребность оперативного корректирования алгоритмов регулирования для достижения требуемого функционирования цифровых регуляторов и выделена задача косвенного управления, когда динамика регулируемой величины определяется изменением потока настроечных параметров. Отмечено, что при косвенном управлении в автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУТП) как в трёхъярусной системе автоматизации взаимодействие промышленного контроллера (ПК) более высокого уровня Control с цифровыми регуляторами (ЦКР) уровня Input/output организуется как взаимодействие с локальными регуляторами системы управления. Предложено считать, что именно это разделение провоцирует прерывание процессов регулирования при неподходящем функционировании цифровых регуляторов, что может вызвать задержку, останов или предаварийную ситуацию в функционировании технологического процесса. Для предотвращения этого предложена идея корректировки регулируемых параметров посредством организации в оперативном режиме временной вычислительной системы «ПК – ЦКР» и алгоритм косвенного управления для классической итерационной модели цифрового ПИД-регулирования. Модельные эксперименты предложенного процесса корректировки настроечных параметров показали продуктивность использования идеи изменения алгоритмов регулирования посредством оперативной корректировки настроечных параметров в процессе регулирования.
автоматизированные системы управления технологическими процессами
косвенное управление
цифровой регулятор
цифровой контурный регулятор
настроечные параметры регулятора
алгоритм регулирования
1. Втюрин В.А. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Основы АСУТП. – СПб.: Санкт-Петербургская гос. лесотех. акад., 2006. – 154 с.
2. Захарова О.В. Структурный аспект построения сверхбыстродействующих ПЛК / О.В. Захарова, Н.В. Сен // Информационные системы и технологии. – 2014. – № 5 (85). – С. 14–19.
3. Мазуров В.М. Принципы построения и методы реализации оптимальных и адаптивных регуляторов для объектов с запаздыванием : автореф. дис. докт. техн. наук (05.13.01). – Тула, 1994. – 40 с.
4. Шестихин О.Ф. Автоматизированное управление предприятиями нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности / О.Ф. Шестихин, В.С. Красильников, Ю.П. Коптев. – Л.: Химия, 1986. – 200 с.
5. Ziegler J.G. Optimum settings for automatic controllers / J.G. Ziegler, N.B. Nichols // Transactions of the ASME. – 1942. – Vol. 64. – P. 759–768.

Актуальность исследования

В пятиуровневой системе автоматизации [1] уровень управления технологическими операциями (Control) представляется промышленными контроллерами (ПК), аналоговым или цифровым образом взаимодействующими с уровнем средств автоматического регулирования (Input/Output), в котором реализуются контурные регуляторы (КР) и технологическая автоматика с её защитами и блокировками. Косвенное управление [4] означает управление или регулирование посредством изменения настроечных параметров регуляторов, а в случае технологической автоматики – посредством изменения потока булевых переменных (рис. 1).

При организации цифрового регулирования в автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУТП) КР заменяют цифровыми контурными регуляторами (ЦКР) на основе коммерческих или специализированных микропроцессоров, координацию которых осуществляет ПК (уровня Control), направляя в ЦКР требуемый поток настроечных параметров в соответствующих обстоятельствах.

Если при такой организации согласованного функционирования цифровых контурных регуляторов результаты не обеспечат требуемую динамику регулирования, то ПК прерывает процесс регулирования и осуществляет переход к специальным программам защит и блокировок, отрабатывающих функции алгебры логики, временные логические функции или рекуррентные булевы функции первого и второго рода [2] для ограничения негативного воздействия нештатного функционирования регуляторов на технологические процессы и оборудование. Однако всякое прерывание процессов регулирования в связи с неподходящим функционированием регуляторов может существенно ухудшить показатели качества всей АСУТП, а переход к реализации мероприятий противоаварийного характера может и вовсе остановить соответствующие технологические процессы. Поэтому решение вопросов текущего (оперативного) корректирования (изменения) алгоритмов регулирования для достижения требуемого функционирования регуляторов представляется актуальным.

В силу специфики косвенного управления в работе предложен путь изменения алгоритмов регулирования посредством оперативной корректировки настроечных параметров в процессе регулирования.

Идея корректировки

При косвенном управлении в АСУТП традиционно ПК уровня Control координирует и взаимодействует с ЦКР нижнего уровня Input/Output как с локальными регуляторами передавая соответствующие потоки уставок и настроечных параметров (рис. 2), то есть структура взаимодействия двух уровней разделяет функции своих процессорных компонентов. Именно это разделение, по-видимому, провоцирует либо прерывание процессов регулирования при неподходящем функционировании ЦКР, либо внедрение отказоустойчивых структур регулирования при проектировании, что, безусловно, ведёт к значительному аппаратному усложнению. Чтобы избежать усложнений аппаратуры и прерывания процессов регулирования, учитывая возможность использования быстродействующих (высокопроизводительных) ПК, разделение функций ПК и ЦКР можно сделать временным или ситуационным, возложив дополнительно на ПК ведущую роль по восстановлению требуемой динамики регулирования в цепях ЦКР и оградив тем самым уровень Input/Output от возможной потери устойчивости регуляторами.

При оценке возможности потери устойчивости ЦКР ввиду не предполагаемых влияний среды ПК осуществляет его «захват» и управляющая программа ПК организует временный вычислительный комплекс «ПК – ЦКР» (с единой операционной системой) до момента восстановления требуемого функционирования. А восстановление требуемого функционирования ЦКР может быть проведено как поиск настроечных параметров и моделирование в ПК работы цепи регулирования с этими параметрами.

Тогда методика косвенного цифрового управления может быть представлена в следующем порядке:

1. Задание серий значений настроечных параметров:

1.1) задание значений коэффициента усиления пропорциональной составляющей: zah13.wmf, zah14.wmf, …, zah15.wmf;

1.2) задание значений коэффициента усиления интегрирующей составляющей: zah16.wmf, zah17.wmf, …, zah18.wmf;

1.3) задание значений коэффициента усиления дифференцирующей составляющей: zah19.wmf, zah20.wmf, …, zah21.wmf.

2. Моделирование для каждой модели ПИД-регулятора значения управляющего воздействия: zah22.wmf для zah23.wmf, zah24.wmf и zah25.wmf; zah26.wmf для zah27.wmf, zah28.wmf и zah29.wmf; …; zah30.wmf для zah31.wmf, zah32.wmf и zah33.wmf zah34.wmf.

3. Верификация управляющего воздействия и выбор лучшего варианта закона регулирования:

zahar1.wmf

Рис. 1. Нижние уровни системы автоматизации при косвенном управлении, где: ПК – промышленный контроллер; КР – контурный регулятор; ЦКР – цифровой контурный регулятор

zahar2.wmf

Рис. 2. Пример схематического взаимодействия уровней Control (ПК) и Input/Output (цифровые контурные регуляторы ЦКР1, ЦКР2, …, ЦКРМ) системы автоматизации промышленного предприятия, где: zah01.wmf, zah02.wmf, …, zah03.wmf – задающие воздействия соответственно для ЦКР1, ЦКР2, …, ЦКРМ; х1(t), х2(t), …, ΔxM(t) – регулируемые величины; Δx1(t), Δx2(t), …, ΔxM(t) – рассогласования (отклонения, ошибки) в текущий момент, пропорциональные соответственно zah04.wmf, zah05.wmf, …, zah06.wmf; zah07.wmf, zah08.wmf, …, zah09.wmf – управляющие воздействия, рассчитанные соответственно регуляторами ЦКР1, ЦКР2, …, ЦКРМ; НП1, НП2, …, НПМ – настроечные параметры соответственно для ЦКР1, ЦКР2, …, ЦКРМ; zah10.wmf, zah11.wmf, …, zah12.wmf; ЭС – элемент сравнения; утолщенная линия – шина, по которой осуществляется взаимодействие уровней

3.1. Моделирование реакции объекта управления в момент времени zah35.wmf на соответствующее управляющее воздействие: zah36.wmf для zah37.wmf, zah38.wmf для zah39.wmf, …, zah40.wmf для zah41.wmf.

3.2. Вычисление рассогласований в момент времени zah42.wmf: zah43.wmf для zah44.wmf, zah45.wmf для zah46.wmf, …, zah47.wmf для zah48.wmf.

3.3. Поиск минимального рассогласования:

zah49.wmf.

3.4. Выбор настроечных параметров для вычисления управляющего воздействия цифрового ПИД-регулятора:

zah50.wmf;

zah51.wmf; …;

zah52.wmf.

Алгоритм косвенного управления для классической итерационной модели цифрового ПИД-регулирования

Классическая итерационная формула расчета управляющего воздействия цифрового ПИД-регулятора (формула прямоугольника), предложенная профессором В.И. Мазуровым [3], имеет вид

zah53.wmf, zah54.wmf,

zah55.wmf, (1)

zah56.wmf = zah57.wmfzah58.wmf+zah59.wmf. (2)

В качестве модели объекта управления в алгоритме используем модель токового контура двигателя постоянного тока:

zah60a.wmf

zah60b.wmf, (3)

где R – сопротивление обмотки якоря; L – индуктивность цепи якоря; B – коэффициент передачи датчика тока; E – ЭДС самоиндукции.

Алгоритм корректировки настроечных параметров цифровых регуляторов для формулы прямоугольника по предложенной методике косвенного цифрового управления сводится к реализации мероприятий:

1. Задание значений настроечных параметров:

1.1) задание значений коэффициента усиления пропорциональной составляющей, например zah61.wmf, zah62.wmf, zah63.wmf;

1.2) задание значений коэффициента усиления интегрирующей составляющей, например zah64.wmf, zah65.wmf, zah66.wmf;

1.3) задание значений коэффициента усиления дифференцирующей составляющей, например zah67.wmf, zah68.wmf, zah69.wmf.

2. Моделирование по каждой модели ПИД-регулятора значения управляющего воздействия по формулам (1) и (2):

zah70.wmf, zah71.wmf,

zah72.wmf,

zah73.wmf = zah74.wmfzah75.wmf+

zah76.wmf;

zah77.wmf, zah78.wmf,

zah79.wmf,

zah80.wmf = zah81.wmfzah82.wmf+

zah83.wmf; …;

zah84.wmf, zah85.wmf,

zah86.wmf,

zah87.wmf = zah88.wmfzah89.wmf+

zah90.wmf.

3. Верификация управляющего воздействия и выбор лучшего варианта закона регулирования:

3.1. Моделирование реакции объекта управления в момент времени zah91.wmf на соответствующее управляющее воздействие по математической модели (3):

zah92.wmf,

zah93.wmf, …,

zah94.wmf.

3.2. Вычисление рассогласований в момент времени zah95.wmf:

zah96.wmf, zah97.wmf, …,

zah98.wmf.

3.3. Поиск минимального рассогласования:

zah99.wmf.

3.4. Выбор настроечных параметров для вычисления управляющего воздействия цифрового ПИД-регулятора:

zah100.wmf;

zah101.wmf; …,

zah102.wmf.

zahar3.tif

Рис. 3. Моделирование алгоритма косвенного управления для серий настроечных параметров zah112.wmf = 5,16, zah113.wmf = 2, zah114.wmf = 8, zah115.wmf = 10,32, zah116.wmf = 7, zah117.wmf = 3, zah118.wmf = 0,645, zah119.wmf = 2, zah120.wmf = 2, модели регулятора (1)–(2) и модели объекта управления (3)

Моделирование предложенного алгоритма косвенного управления для настроечных параметров zah103.wmf = 5,16, zah104.wmf = 2, zah105.wmf = 8, zah106.wmf = 10,32, zah107.wmf = 7, zah108.wmf = 3, zah109.wmf = 0,645, zah110.wmf = 2, zah111.wmf = 2 продемонстрировано на рис. 3. Цифровой ПИД регулятор уровня Input/Output настроен на настроечные параметры kП = 5,16, kИ = 10,32 и kД = 0,645, рассчитанные методом Зиглера – Николса [5]. Моделирование показывает расходящуюся динамику регулируемого параметра с выбранными настроечными параметрами. Начиная с t = 7,5 моделируется захват цифрового ПИД-регулятора промышленным контроллером уровня Control и отработка предложенного алгоритма промышленным контроллером. Начиная с t = 23 ПИД-регулятор уровня Input/Output отрабатывает требуемую динамику регулируемого параметра на изначально заданных настроечных параметрах в связи с чем происходит отключение косвенного управления (рис. 3).

Выводы

Модельные эксперименты предложенного процесса корректировки настроечных параметров показали продуктивность использования идеи изменения алгоритмов регулирования посредством оперативной корректировки настроечных параметров в процессе регулирования.

Исследование выполнено при поддержке ОГУ имени И.С. Тургенева по теме «Разработка программной системы поддержки процесса управления в предаварийных состояниях для восстановления нормальной работы», приказ № 7-н/26 от 23.10.2013 г.


Библиографическая ссылка

Захарова О.В., Раков В.И. ОПЕРАТИВНАЯ КОРРЕКТИРОВКА НАСТРОЕЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ РЕГУЛЯТОРОВ ПРИ КОСВЕННОМ УПРАВЛЕНИИ // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 12-1. – С. 43-48;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41044 (дата обращения: 01.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074