автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация настройки законов управления в нестационарных системах

На правах рукописи

Толоконский Андрей Олегович

АВТОМАТИЗАЦИЯ НАСТРОЙКИ ЗАКОНОВ УПРАВЛЕНИЯ В НЕСТАЦИОНАРНЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 05 13 06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2008

003171304

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Власов Виктор Александрович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, начальник отдела Постников В.В, НИКИЭТ кандидат технических наук Барков С Н, РНЦ «Курчатовский институт»

Ведущая организация ЗАО «СТАЭР»

Защита состоится «30» июня 2008г в 15 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212 130 02 МИФИ по адресу 115409, г Москва, Каширское шоссе, д 31

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ Автореферат разослан 2008г

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации, по адресу МИФИ

Ученый секретарь диссертационного совета МИФИ, дт.н, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСтаКА РАБОТЫ Актуальность работы.

В последнее время в нашей стране и за рубежом наметилась тенденция к созданию в SCADA системах алгоритмов цифрового управления, адаптации и идентификации, которые находятся в различных состояниях готовности к применению на реальных объектах Поэтому создается интеллектуальное ПО для оперативной оптимизации процесса управления Кроме того, в связи с особенностями построения SCADA систем ни на одной из известных систем алгоритмы адаптации и идентификации не функционируют в рамках как верхнего и нижнего уровня программного обеспечения АСУТП, на различных процессорах, под управлением различных операционных CHcre.\i(DOS, WIN, Linux)

Таким образом, актуальной является задача разработки алгоритмов оптимального управления, адаптации и идентификации в рамках SCADA системы функционирующих под различными операционными системами, на разных логических уровнях, с наименьшей ресурсоемкостью Цель диссертации.

Целью данной диссертации является разработка алгоритмов управления и ПО (включающее адаптацию, идентификацию и оптимизацию) в рамках многоплатформенной SCADA системы МикСис, практическое использование этого программного обеспечения на реально действующих объектах, на различных логических уровнях АСУ ТП, с последующей возможностью тиражирования и применения на различных объектах требующих адаптивного оптимального управления

Методы исследования.

Для решения поставленной задачи использованы методы

1 Метод пространства состояний для анализа динамических систем

2 Вариационные принципы поиска оптимальных управляющих воздействий, математический аппарат теории аналитического конструирования регуляторов.

3 Методы векторной обработки данных в АСУТП

4 Вероятностные и статистические методы для анализа надежности программно-аппаратных средств, основанные на теории Марковских процессов

Научная новизна полученных результатов.

1 Предложено ввести в состав инструментального арсенала построения АСУТП программные средства адаптивного оптимального управления, позволяющие значительно расширить класс применяемых законов управления, а также реализовывать методы оптимального управления объектами на многоплатформенных SCADA системах, для применения их на различных логических уровнях,

2 Разработано ПО, позволяющее осуществлять адаптивное оптимальное управление нестационарными динамическими объектами,

3.Созданы программные интеллектуальные средства диагностики состояния объектов в рамках системы МикСис, включающие в себя алгоритмы оперативной диагностики и идентификации основанные на обработке результатов сканирования состояния технологических процессов с помощью использования микропроцессоров различной мощности (как на верхнем, так и на нижнем уровне ПО АСУТП),

4 Предложен многокомпонентный подход к анализу количественных характеристик программно-аппаратных комплексов, позволяющий одновременно использовать как справочные данные о надежности, так и результаты экспериментальных испытаний, что существенно облегчает взаимодействие разработчиков и заказчиков при введении АСУ ТП в эксплуатацию Это особенно важно для опасных технологических процессов (подход нашел применение для анализа надежности систем отображения технологической информации)

Практическая ценность проведенного исследования и реализация результатов.

1 Показана необходимость оснащения современных SCADA систем средствами адаптивного управления, позволяющими значительно расширить класс применяемых законов управления и использовать методы оптимального управления,

2 Созданы прикладные средства оперативной диагностики динамических объектов, необходимые для адаптивного оптимального управления, которые интегрированы в SCADA систему МикСис,

3 Предложен многокомпонентный подход для оперативного анализа надежности программно-аппаратных комплексов,

4 Реализованный алгоритм адаптивного оптимального регулятора, скомпилированный в теле исполнительного модуля задачи реального времени RESIDENT EXE SCADA системы МикСис, в настоящее время находится в промышленной эксплуатации в цехе биологической очистки воды КСА города Москвы

5 Подготовленные средства адаптивного оптимального управления в рамках SCADA системы МикСис, предназначенные для управления нестационарными процессами нашли практическое применение на других объектах (информационная система Курской АЭС, АСУТП переработки жидких радиоактивных отходов), подготовленные средства адаптивного оптимального управления в рамках SCADA системы МикСис введены в лабораторный практикум по курсу «Проектирование систем управления» на кафедре «Автоматика» МИФИ

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и сессиях

• Научной сессии МИФИ-2005 (г Москва, 24-28 января 2005г)

• Научной сессии МИФИ-2006 (г Москва, 23-27 января 2006г)

• Научной сессии МИФИ-2006 (г Москва, 23-27 января 2006г)

• На производственных совещаниях ОКСАТ НИКИЭТ

Публикации.

Основные положения, выводы и практические результаты работы опубликованы в 11 печатных работах и 2 научных отчетах Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 71 наименования Общий объем работы составляет 114 страниц В работе содержится 25 рисунков, 11 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и постановка задачи диссертации, приведены основные научные результаты и их новизна, данные о публикациях и апробации работы

В первой главе обсуждаются проблемы построения АСУТП ответственных производств, проводится сравнительный анализ современных средств построения АСУТП, рассматриваются характеристики различных 5САОА систем, изучаются требования к качеству управления технологическими процессами На основе проведенного анализа делаются выводы о необходимости учета во многих случаях нестационарных свойств объектов управления и совершенствования способов определения управляющих воздействий Например, рассмотрим объект, используемый в очистных сооружениях - называемый аэротенком. При малых концентрациях растворенных солей для поддержания жизни бактерий (активного ила) необходимо определенное количество подаваемого кислорода Если активного ила оказывается, по каким-либо причинам, недостаточное количество, то бактерии гибнут от его недостатка - удушья, если кислород поступает в избытке - то бактерии гибнут от голода При этом теряется способность активного ила к регенерации и еще возникает перерасход электроэнергии из-за избыточной подачи кислорода Это показывает зависимость хода динамического процесса очистки воды от расхода кислорода, который должен меняться со временем, т к степень загрязнения воды не является постоянной

Весьма актуальным оказывается разработка программного обеспечения расчета управляющих воздействий на основе использования функционалов качества и, соответственно, применения вариационных методов в управлении. Для человеко - машинных систем важнейшей составляющей средств

управления является оперативное информационное обеспечение и пользовательский интерфейс, от качества которых в значительной мере зависит возможность максимального использования опыта операторов при принятии управляющих решений при возникновении опасных технологических ситуаций (в ядерных реакторах и других объектах) В этой связи проявляется важность обеспечения надежности средств управления и отображения Итогом первой главы является постановка задачи диссертации, согласно которой требуется решение следующих вопросов

изучение эффектов, связанных с процессом управления нестационарными объектами,

выбор алгоритмов и разработка средств идентификации нестационарных объектов,

получение условий применимости идентификации нестационарных объектов в цифровых системах регулирования,

разработка программного обеспечения оперативной идентификации нестационарного объекта и адаптивного оптимального управления, позволяющего функционировать на различных логических уровнях программного обеспечения,

встраивание разработанного программного обеспечения в ЭСАОА систему МикСис,

внедрение программного обеспечения для управления реальными технологическими процессами,

разработка надежных средств отображения информации для использования опыта операторов при управлении технологическими объектами

Во второй главе рассматриваются методы адаптивного регулирования управления нестационарными объектами В существующих БСАБА системах предполагается выбор параметров типовых ПИД регуляторов для конечных интервалов времени, на которых производится оперативная идентификация динамических характеристик объектов управления Наличие множества методов идентификации заставляет решать задачу выбора метода, который легко может быть реализован программными средствами и не потребляет больших вычислительных ресурсов

Наибольшее распространение получили статистические методы (корреляционный, байесовский) и аппроксимационные, основанные на применении интеграла Дюамеля и методы, связанные с критерием наименьших квадратов

Методы, основанные на применении метода наименьших квадратов, предполагают использование разностных уравнений, для которых коэффициенты определяются по результатам измерений Эти методы легко реализуются и пригодны для идентификации нестационарных систем (даже

когда коэффициенты разностных уравнений зависят от времени), кроме того, они не предполагают использование специальных случайных процессов. Поэтому они выбраны для применения в БСАОА системе МикСис. Практически это делается при помощи алгоблоков идентификации, и их настройка производится с помощью специально созданного интерфейса, представленного на рис.1.

Рис. I. Видеокадр алгоблока идентификации объекта управления

В третьей главе описывается применение математического аппарата аналитического конструирования регуляторов. Постановка задачи имеет следующий вид. Имеется нестационарная динамическая система, описываемая системой дифференциальных уравнений.

X = A(t)X(t) + B(t)U(t), где A(t) - матрица коэффициентов, X(t) - вектор состояния, B(t) - матрица коэффициентов, U(t) - управляющее воздействие.

Требуется перевести систему из заданного начального состояния х0 в конечное

состояние, за интервал времени (1а */) так, чтобы функционал вида

{[/(оаджо+ит +*гс,)ад<,)>

'о

где Я2(1) - положительно определенные симметрические матрицы, Л -заданная постоянная симметричная положительно определенная матрица (определяет значимость конечного состояния системы) х(1) - отклонение переменных состояния от требуемых значений Поиск движения и управления сводится к решению системы дифференциальных уравнений вида:

А{1) X «

А'). ~АГ(1)

с начальными условиями х (/) = *„ и граничными для вспомогательного вектораудовлетворяет условию ) = Р}х ((,)

Аналитическое решение приведенной системы возможно практически только при её низком порядке Поэтому приходится использовать численные методы и при программирование удобнее пользоваться уравнением Риккати

- рао=^ (о - Рг (овш? и)втт(1)+Атт(1)+рг та)

При этом для матрицы Риккати Рг(1) имеется граничное условие />,((,) = Я,

При разработке ПО применен метод прямого интегрирования, который позволяет решать нестационарные задачи и является численным методом, основанным на замене приращении функций дифференциалами

Р(1 + А1) = Р(>)+Р(0&1 Результатом решения уравнения Риккати является программное управление вида

С/(0 = -£(<)*(<),

где £(<) = Я2"'(0Яг0ЖС) (а матрица Рг(1) - определяется из матричного уравнения Риккати), причем значения матриц, переменных состояния и управляющего воздействия рассматриваются в дискретный момент времени Для получения явной зависимости 0(0 требуется решать уравнение движения системы с учетом последнего соотношения

На рис 2 изображен интерфейс настройки работы оптимального регулятора Использование параметров операции

• Параметр 1 - пропорциональная составляющая

• Параметр 2-1-я постоянная (интегрирующая) времени объекта (в секундах)

• Параметр 3 - 2-я постоянная (дифференцирующая) времени объекта (в секундах)

Операнд 1 - уставка значения выходного сигнала; Операнд 2 - регулируемая величина;

ЯагПЮп - 11.02.2007/20:39:35

ч ■ ■

а-У": .'■* "шйэЭ]

ШШШсШ

ттшт

Рис.2. Интерфейс работы регулятора

С помощью интерфейса изображенного на рис.2 осуществляется переход от типового ПИД - регулятора к адаптивному и оптимальному. Для включения алгоритма идентификации используются 3-й 5-й элементы условия операнда1: если 3-й элемент равен Истина - включается алгоритм идентификации в диагностическом режиме: в момент установки в значение Истина запоминаются начальные значения управления и выхода объекта, которые в дальнейшем используются как смещения соответствующих параметров; если 3-й элемент условия операнда 1 установлены в значение Истина, а 4-й элемент в значении Ложь, то идентификатор переключается в режим паузы. При этом производится только накопление данных - расчет коэффициентов и коррекция не производятся. Если 5-й элемент условия операнда 2 установлен в значение Истина (предусмотрено два режима установки автоматический по условию и ручной), то включается режим оптимального управления с

Пн 11-Иай-07/14:56: 36

^тибШИНТ

-УС'^С+уг]

автоматическим подбором весовых матриц К/ и Я2. А значения начальных условий отображаются в уставках. Если 5-й элемент условия операнда 2 установлен в значение Ложь, значения весовых коэффициентов положительно определенных матриц Л/ и Я2 (матрица на практике может быть скаляром) задаются «вручную» в приемнике данных алгоблока. Значение начальных задаются в «операнде 2» в виде вектора, конечное значение берется из операнда - уставки. Если заданы нулевые матрицы, то алгоритм оптимального управления не выполняется.

Проверку работоспособности оптимального регулятора производилась на объекте Аэротенки. Мнемосхема объекта представлена на рис.3.

Рис.3. Мнемосхема установки Аэрирования На представленной схеме показана установка Аэрирования. По шести рукавному коридору протекает очищаемая вода, которая в различные моменты времени имеет различную степень загрязненности. В зоне жизнедеятельности активного ила расположен трубопровод, по которому подается кислород. В данной установке необходимо поддерживать заданный уровень взвешенных веществ (прибор УЗ), управляя концентрацией растворенного в воде кислорода (прибор 01), подаваемого в проходящий объем очищаемой воды задвижкой (обозначение по схеме П2). При избыточной подачи кислорода будут

замедляться процессы очистки воды и, кроме того, будет происходить перерасход электроэнергии (вызванный использованием лишних турбовоздуходувочных агрегатов) При недостаточном количестве кислорода -активный ил будет задыхаться

При оптимальном управлении выбирается значение уставки, характеризующее благоприятный баланс бактерий и загрязненной воды Управляющим воздействием является концентрация растворенного в воде кислорода Для нормальной работы системы необходимо, чтобы значение концентрации взвешенных веществ было 2,6 г/л с допустимым отклонением в пределах 20% как в положительную, так и отрицательную стороны При этом необходимо, чтобы содержание растворенного в воде кислорода было в пределах 2 мг/л с такими же, как у взвешенных веществ, диапазонами отклонения от заданной величины Исполнительным механизмом для регулирования служит задвижка с пропорциональным исполнительным механизмом Обычно для работы системы в экономичном режиме задвижка отрыта примерно на 75% В случае если через аэротенк проходит вода с высокой степенью загрязнения и кислорода не хватает, то выдается команда на включение дополнительного турбовоздуходувочного агрегата, находящегося в резерве готовности В этом случае количество подаваемого кислорода в трубопроводе повышается, и задвижка возвращается в исходное состояние При уменьшении степени загрязненности проходящей через систему воды для экономии электроэнергии дополнительный турбовоздуходувочный агрегат отключается

При проведении в течение нескольких дней идентификации объекта, с заранее определенной структурой получили передаточную функцию следующего вида

=-!-

(155 + 1)(85 + 1)

Будем полагать, что это в некотором смысле «усредненная» передаточная функция объекта, характеризующая состояние аэротенка когда через него проходит вода «обычной» загрязненности.

Управление при использовании типового ПИД закона регулирования

Для данного случая, при изменившихся динамических характеристиках объекта управления, уравнение состояния объекта имеет вид

-0,125 1 ' 0 "

X = х +

1 -0,067 14,3

Временная диаграмма работы аэротенка при типовом ПИД законе регулирования взвешенных веществ, представлена на рис. 3 4В данном случае при стационарных режимах объекта регулятор отрабатывает изменение уставок достаточно успешно Но в случае изменения динамических свойств объекта регулятор не будет справляться с возложенными на него функциями

^агСШю/агёУЛп - 21.04.2007/20:51:37 - С:\К5А\

1 1 »о < • 1 о I к,:«о «-- > «I I:

■

Файл видзо' Главный Опции йать 1«к(иаве

Рис.4.Переходной процесс, полученный при использовании типового ПИД -закона регулирования Совсем другая картина получается при изменении системой своих динамических свойств. В случае изменения степени загрязненности в большую сторону, от обычного среднего значения, динамических характеристик аэротенка представлены на рис.5. Для данного случая уравнение состояния объекта имеет вид:

- 0,0344

1 1

- 0,0526>_}

а степень загрязненности очищаемой воды выросла почти в три раза, соответственно динамические характеристики системы изменились, следовательно, время переходного процесса возросло, нормальная работа системы нарушилась. Из временных диаграмм видно, что в начальный момент изменения характеристик системы количество растворенного в воде кислорода не соответствует значению взвешенных веществ, а во второй половине диаграммы наоборот превышает. В данном случае в первой фазе переходного

ОСПСЧЛп'- 21.<М.2007/21:ЗБ: Л - С:\К5А\

процесса активный ил находится в фазе «удушья», а во второй части: в фазе «голода».

Рис. 5. Переходной процесс, когда объект поменял свои динамические характеристики

При более значительных и длительных изменениях динамических характеристик объекта активный ил может «умереть».

Временная диаграмма работы аэротенка при типовом ПИД законе регулирования взвешенных веществ с идентификацией динамических параметров объекта, представлена на рис.6. Из диаграмм видно, что при изменении динамическим объектом своих свойств, система управления осуществляет идентификацию измененных параметров, автоматически подставляя новые значения в настройки регулятора, при этом регулятор выдает управляющее воздействие на исполнительный механизм для открытия задвижки и соответственно подачи растворяющегося в воде кислорода.

¡БГЗЛМп - 21.0 4.2007/21:36:17 - C:\KSft"

Рис.6. Переходной процесс, полученный при использовании типового ПИД -закона регулирования с использованием идентификации объекта управления

Из диаграмм видно, что в некоторые моменты времени концентрация растворенного в воде кислорода значительно превышает значение взвешенных веществ, что неблагосклонно сказывается на популяции активного ила. Но в отличие, от случая, с типовым ПИД регулятором в течение десяти минут работоспособность объекта приходит в норму.

Временная диаграмма работы аэротенка при использовании оптимального закона управления представлена на рис.7.

- 21.04.2007/21:36:47- C:\KSA'

Рис.7. Переходной процесс, полученный при использовании оптимального закона регулирования Из диаграммы видно, что в момент времени обозначенный риской как 0,5 происходит изменение динамических характеристик объекта. При этом производится идентификация новых динамических характеристик. Полученное новое уравнение состояние системы для данного случая имеет вид

1 ' 0

г 20,3_

Далее рассчитывается оптимальное управляющее воздействие и траектория перехода системы в штатное рабочее состояние, таким образом, чтобы перевод системы из возмущенного состояния осуществился не более чем за 10 минут. В это же самое время осуществляется расчет вектора весовых матриц для управляющего воздействия с учетом наложенных ограничений на управляющее воздействие. Затем производится выбор оптимальных весовых матриц и в соответствии с выбранными матрицами выдается на исполнительный механизм соответствующе управляющее воздействие для осуществления этого перехода - выдаваемое в момент времени обозначенный риской 0,75.

В человеко - машинных системах одной из основных составляющих средств управления является оперативное информационное обеспечение. Для ряда объектов разработаны средства отображения информации и пользовательский интерфейс. Для примера на рис.8 и рис.9 представлены мнемосхемы которые используются при управлении реакторами Курской АЭС и Критическим стендом спецустановки (РНЦ "Курчатовский институт").

Рис.8. Курская АЭС 1 энергоблок, мнемосхема высотных датчиков

реактивности, корректированные значения Средства оперативного отображения информации разработаны также для ряда других объектов, информация о которых помещена в текст диссертации.

Рис.9. Мнемосхема критического стенда.

В четвертой главе приводится экспресс методика анализ характеристик надежности средств отображения, которые являются программно-техническими комплексами.

В настоящее время системы отображения данных о ходе технологических процессов прочно вошли в состав современных БСАВА систем. Наряду с вопросами типа графических образов предоставления информации - векторной или матричной, отвечающей за быстродействие предоставления информации неизбежно встает вопрос о надежности систем отображения. Особенно важен этот вопрос при управлении опасными объектами, например, ядерными реакторами. Поэтому надежность систем отображения должна обеспечиваться уже на этапе проектирования. В то же время подтверждение требуемого уровня надежности основано на проведении весьма объемных экспериментов и не может оперативно использоваться на этом этапе. Поэтому возникла необходимость разработки экспресс - методов анализа количественных характеристик надежности. Имеется два подхода к расчету количественных показателей надежности:

• использование заводских сведений о сроках службы и интенсивностях отказов отдельных составных частей системы;

• использование статистических данных для оценивания интенсивностей отказов.

В данном случае речь идет о программно - аппаратных комплексах Поэтому в рассматриваемой главе сделана попытка объединения этих двух подходов Для технических средств используются заводские данные об их надежности Для программных средств предполагается проведение экспериментальных испытаний, при этом необходимые их объемы возможно получить на современных вычислительных средствах за сравнительно короткие интервалы времени Наиболее приемлемой характеристикой надежности является финальная вероятность отказа (или работоспособности) Вероятность безотказной работы программно - аппаратного комплекса рассчитывается по формуле Р0 = РТР„, где Ро - вероятность успешного выполнения требования системой отображения, Рт - вероятность исправности технических средств (в том числе и вычислительных) при обращении к системе отображения, Руп -условная вероятность выполнения требования программным обеспечением (условием является исправность технических средств)

Для величины Руп используется её статистическая оценка полученная по результатам испытаний Это дает возможность строить доверительные интервалы для Руп При анализе надежности использовался экспонециальный закон распределения Поэтому для Р,(0 имеют место дифференциальные уравнения-

где суммирование ведется по индексу }, Р,=/>/0 - вероятность нахождения системы в состоянии с номером г в момент времени 1, интенсивность

перехода из состояния J в состояние 1 Для любого момента времени I имеется

и

соотношение = 1 Если заданы начальные условия, то данная система

1-1

может быть решена

Для вычисления финальных вероятностей требуется решить систему уравнений

А с]

Упрощенный расчет финальных вероятностей может быть произведен часто в тех случаях, когда многие из величин \ равны нулю Фактически такой подход приведет к использованию событийного анализа отказов различных частей технической системы Этот путь определения финальных вероятностей состояний будет рассмотрен далее на примерах анализа конкретных технических структур

При помощи изложенного подхода проведены расчеты финальных вероятностей (коэффициентов готовности системы) для различных

структурных схем резервирования элементов систем отображения

• резервируется только программно-аппаратная вычислительная часть,

• резервируется только средство отображения,

• резервируется как программно - аппаратная, так и средства отображения( здесь рассмотрены различные варианты резервирования),

• резервирование осуществлено по логике 2 из 3

Для примера приведены результаты расчетов для многоэлементного табло в условиях, когда N=250, Я=3*103 час"1, ц=0,1час"' приведены в табл 4 1 Там же приведены некоторые промежуточные расчетные данные, при этом

у = - =0,0003, 1-У=0,9997

Таблица 1

Результаты расчетов вероятности работоспособности многоэлементного

табло

1 с; V' (1^- Рраб (П<=0 Ротк (П>1)

1 2 3 4 5 6 7

0 1 1 0,9278 0,93 0,93 0,70*10"'

1 2,5*102 3*10"" 0,9281 0,70*10"' 1-0,26*10"' 0,26*10"2

2 3,1*104 9*10'8 0,9284 0,26*10'2 1-0,65*10'6 0,65*106

3 2,6*106 2,7*10"'"' 0,9286 0,65*10'° 1-0,12*10"' 0,12*10'

4 1,6*10® 8,1*10"" 0,9289 0,12*10"' 1-0,18*10"9 0,18*10'"

5 7,8*10ч 2,43* 10"'" 0,9292 0,18*10"" 1-0,22*10"" 0 22*10""

6 3,19*10" 7,29*10 0,9295 0 22*10"" 1-0,23*10"13 0,23* 10"13

7 ],11*Ю'3 2,19*10'' 0,9298 0,23*10"'' 1-0,206*10 15 0,206*10 15

8 3,37*1014 6,56*10 31 0,9300 0,21*10'" 1-0,17*10"17 0,17*10""

9 9,06*1015 1,97*10"34 0,9303 0,17*10'" 1-0,12*10"" 0,12*10'"

10 2,18*1017 5,90*1038 0,9306 0,12*10'" 1-0,46* 10"'3 0,46*10"'3

11 4,76*1018 1,04*10"4' 0,9309 0,46*10'23

При расчетах и в таблице использованы обозначения N - количество элементов в табло,

1 - допустимое число отказавших элементов, когда табло считается

работоспособным,

Я - интенсивность отказа элемента, ц - интенсивность восстановления элемента

Основные выводы и результаты

1 Анализ современных систем управления технологическими процессами показал, что в процессе управления, как правило, возникают ситуации, связанные как с сильным изменением состояния объекта, так и с изменением его динамических характеристик Учитывая необходимость обеспечения требуемых режимов эксплуатации, предложено ввести в 8САБА систему программные инструменты для оптимального приближения к проектным режимам

2 Обеспечение должного качества управления может достигаться не только автоматически, но и оператором (как это делается, например в АСУТП АЭС) В этом случае важнейшей составляющей системы управления являются средства отображения технологической информации и специальное программное обеспечение с помощью которого осуществляется управление

3. Для реализации автоматического управления разработано и внедрено в многоплатформенную БСАБА систему МикСис программное обеспечение адаптивного оптимального управления, в котором используются результаты теории аналитического конструирования регуляторов

4 Разработанное программное обеспечение функционирует на различных логических уровнях АСУТП (как верхнем на ПЭВМ, так и нижнем в контроллере)

5 Для ответственных производств необходимо обеспечение должного уровня надежности средств отображения технологической информации Поэтому предложена методика экспресс анализа характеристик надежности, различных систем отображения, технологической информации

6 Результаты работы были использованы при разработке информационной системы Курской АЭС, АСУТП «Переработки жидких радиоактивных отходов», АСУТП «ЦБО Аэротенки КСА», АСУТП «Критического стенда» РНЦ "Курчатовский институт", АСУТП «Сушильной камеры кирпича», а также в лабораторном практикуме по курсу «Проектирование систем управления», который проводится на кафедре автоматика МИФИ

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Власов В А, Толоконский А О, Прикладной пакет создания АСУТП и конструирования оператора МикСис // Приборы и Системы управления -1999 -№9 - С 35

2 Слепицкий А Е, Толоконский АО, и др , «Автоматизация насосной станции №3 КСА // Сборник Научная сессия МИФИ 2001 год / Том 1, С 43

3 Лебедев В О, Толоконский АО, и др Разработка ПО устройства функциональной проверки автоматической защиты реактора // Сборник Научная сессия МИФИ 2002 год Т 1, С 35

4 Лебедев В О, Толоконский А О, и др Система пожарной сигнализации, информационного обеспечения и видеонаблюдения // Сборник Научная сессия МИФИ 2003 год Т 1, С 29

5 Власов В А , Толоконский А О Управление нестационарными системами первого порядка // Сборник Научная сессия МИФИ 2004 год Т 1, С 40

6 Власов В А, Толоконский А О, Головонев В Е, Вероятностные характеристики отказов систем отображения // Сборник Научная сессия МИФИ 2005 год Т1 , С 42

7 Власов В А, Толоконский А О Исползование аналитического конструирования регуляторов при внезапном изменении динамических характеристик объекта // Сборник Научная сессия МИФИ 2005 год Т 1, С 45

8 Власов В А , Головонев В Е, Толоконский А О, Анализ вероятности отказа систем отображения // Промышленные контроллеры АСУ - 2005-№4 - С 25

9 Разработка программного обеспечения для АСУТП имитаторов ТВЭЛов / Лебедев В О, Толоконский АО, и др, / Сборник Научная сессия МИФИ, 2006 год, Т 1, С 42

10 Толоконский А О, Введение в АСУТП интеллектуальных программных средств для оптимального управления У/ Сборник Научная сессия МИФИ 2007 год, Т 1, С 50

11 Толоконский А О, Средства адаптивного оптимального управления в SCADA системе МикСис // «Приборы и Системы управления» - 2007 -№1 - С 15

Подписано в печать 27 05 2008 г Печагь трафаретная

Заказ № 482 Тираж 100 экз

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш, 36 (495) 975-78-56, (499) 788-78-56 www autoreferat ru

Введение.

Глава 1. АСУ ТП как база для реализации алгоритмов управления, адаптации и идентификации.

1.1. Проблемы, возникающие при построении АСУТП.

1.2. Обзор современных БСАБА систем.

1.3. Преимущества БСАБА системы МикСис.

1.4. Постановка задачи диссертации.

Глава 2. Адаптивное управление нестационарными объектами.

2.1. Примеры нестационарных объектов.

2.2. Описание нестационарных объектов.

2.3. Методы идентификации нестационарных объектов.

2.4. Выбор и реализация метода идентификации.

Выводы.

Глава 3. Оптимальное управление нестационарными объектами.

3.1. Технологическая необходимость использования оптимального управления.

3.2. Задача аналитического конструирования регуляторов.

3.4. Настройка программного обеспечения регуляторов в БСАБА системе МикСис

3.5. Проверка работоспособности оптимального регулятора.

3.6. Человеко-машинные интерфейсы.

Выводы.

Глава 4. Анализ надежности технических систем отображения.

4.1. Необходимость анализа надежности систем отображения.

4.2. Анализ вероятности отказа резервированной структуры.

4.3. Событийный анализ финальных вероятностей отказов системы.

4.4. Выбор количественных характеристик надежности.

4.5. Анализ надежности систем отображения.

Выводы.

С момента своего появления ЭВМ использовались, прежде всего, как инструмент, помогающий человеку решать различные вычислительные задачи. Вначале эта потребность касалась лишь своеобразных трудоемких и рутинных математических вычислений, но со временем ЭВМ стремительно развивались: уменьшались габариты и энергопотребление, увеличивалась скорость выполнения операций и передачи данных. Совершенствовалось программное обеспечение, разрабатывались более простые и удобные способы программирования от машинных кодов вначале и до языков высокого уровня в настоящее время. Для языков программирования на протяжении почти 30 лет были созданы огромнейшие и богатейшие библиотеки подпрограмм, позволяющие выполнять различные математические операции, проводить расчеты производных и интегралов с высокой степенью точности. Вместе с этим появились устройства позволяющие преобразовывать аналоговые сигналы в цифровые и представлять их для компьютерной обработки, а также выполнять обратные преобразования. При появлении таких устройств, называемых устройствами связи с объектом, компьютеры получили возможность применения в системах управления реального времени. Были созданы различные специализированные пакеты программ для управления технологическими процессами. Такие системы получили название «Автоматизированные системы управления технологическими процессами» (АСУТП). Сейчас не существует отрасли промышленности, в которой не применялась бы автоматизация технологических процессов. Основными преимуществами АСУТП являются существенные снижения влияния так называемого человеческого фактора на управляемый процесс, сокращение неквалифицированного персонала - путем обучения, минимизация расходов сырья, повышение качества исходного продукта, и в конечном итоге существенное повышение эффективности производства. Основные функции, выполняемые подобными системами, включают в себя контроль, управление, обмен данными, обработку, накопление и хранение информации, формирование сигналов тревог, построение графиков и создание отчетов. Кроме того, с развитием микропроцессорной техники появилась возможность использовать микро - ЭВМ для построения интеллектуальных автономных систем управления, содержащих в своем составе модули УСО, наборы программных средств ведения баз данных, реализацию алгоритмов прямого цифрового управления и регуляторов.

В настоящее время, практически во всех пакетах программ, используемых для построения АСУТП (8САХ)А система), имеются библиотеки подпрограмм для реализации законов регулирования. Чаще всего используются ПИД и ПИ законы. Для нестационарных объектов такой подход не приемлем. Однако в большинстве современных БСАБА-систем более сложные алгоритмы непосредственного цифрового регулирования технологическими процессами обычно отсутствуют. Существующего набора вполне достаточно для решения простых «типовых» задач со стационарными объектами, не касающихся сложных, ответственных и опасных производств.

Рассматривая опасные и ответственные производства, следует отметить, что не во всех случаях можно обойтись типовыми регуляторами, в которых коэффициенты регулирования задаются один раз при настройке системы или вводе её в эксплуатацию, и не меняются годами вплоть до замены износившегося оборудования при плановом капитальном ремонте. Например: регуляторы, функционирующие в системах горячего водоснабжения по температурному графику наружного воздуха, не требуют периодической настройки коэффициентов в виду стационарности протекающего процесса. Напротив, рассмотрим работу системы очистных сооружений воды на этапе аэрации - на данном этапе происходит очистка воды от солей тяжелых металлов при помощи бактерий, которые при заданной температуре и определенной концентрации кислорода очищают воду от вредных растворимых примесей. Применение типовых регуляторов не приносит ожидаемого эффекта ввиду нестационарности процесса. Точный состав воды поступаемой на переработку не известен, он вообще имеет случайный характер в определенных пределах, и не коррелирован ни с какими событиями. Качество очищаемой воды определяется лишь, кислородом, подаваемым в очистное сооружение в зависимости от количества растворенных в воде солей тяжелых металлов.

Адаптивное управление технологическими процессами, основано на использовании новейших методов идентификации динамических объектов, и методах оперативной оптимизации настроек регуляторов. Адаптивные технологии позволяют полностью автоматизировать процесс настройки автоматических регуляторов для широкого класса промышленных объектов управления с запаздыванием. Использование оперативных методов идентификации исключает методы ручного выбора и расчета приемлемых параметров настройки регуляторов. В настоящее время назрела необходимость использовать более совершенные (по сравнению с типовыми ПИД законами) алгоритмы управления, основанные на применении критериев оптимальности. Использование этих алгоритмов оптимального оперативного формирования воздействий обеспечивает высокое качество процессов управления объектами на всем этапе их дальнейшей эксплуатации.

Актуальность диссертации

В последнее время в нашей стране и за рубежом наметилась тенденция к созданию в SCADA системах алгоритмов цифрового управления, адаптации и идентификации, которые находятся в различных состояниях готовности к применению на реальных объектах. Поэтому создается интеллектуальное ПО для оперативной оптимизации процесса управления. Кроме того, в связи с особенностями построения SCADA систем ни на одной из известных систем алгоритмы .адаптации и идентификации не функционируют в рамках как верхнего и нижнего уровня программного обеспечения АСУТП, на различных процессорах, под управлением различных операционных cncTeM(DOS, WIN, Linux).

Таким образом, актуальной является задача разработки алгоритмов оптимального управления, адаптации и идентификации в рамках SCADA системы функционирующих под различными операционными системами, на разных логических уровнях, с наименьшей ресурсоемкостью. Цель диссертации

Целью данной диссертации является разработка алгоритмов управления и ПО (включающее адаптацию, идентификацию и оптимизацию) в рамках многоплатформенной БСАБА системы МикСис, практическое использование этого программного обеспечения на реально действующих объектах, на различных логических уровнях АСУ ТП, с последующей возможностью тиражирования и применения на различных объектах требующих адаптивного оптимального управления.

Для достижения' поставленной цели необходимо будет решить следующие задачи:

1) провести анализ основных трудностей создания АСУ ТП для нестационарных объектов, современных технологических и программных средств построения АСУТП и выявлена необходимость развития программ и алгоритмов адаптивного и оптимального управления;

2) реализовать программные средства оперативной идентификации динамических объектов и адаптивного оптимального управления ими, эти средства интегрированы в исполняющую оболочку 8САОА системы МикСис;

3) разработать средства отображения технологической информации, предназначенные для адаптивного управления, когда в контуре управления присутствует оператор, на которого возложена часть функций управления;

4) предложить и реализовать многокомпонентный подход к оперативному анализу надежности программно-аппаратных комплексов, который способствовал бы построению качественных автоматизированных систем управления опасными технологическими процессами.

Научная новизна представленных в данной диссертации результатов заключается в следующем:

- предложено ввести в состав инструментального арсенала построения АСУТП программные средства адаптивного оптимального управления, позволяющие значительно расширить класс применяемых законов управления, а также реализовывать 4 методы оптимального управления объектами на многоплатформенных SCADA системах, для применения их на различных логических уровнях;

- разработано ПО, позволяющее осуществлять адаптивное оптимальное управление нестационарными динамическими объектами;

- созданы программные интеллектуальные средства диагностики состояния объектов в рамках системы МикСис, включающие в себя алгоритмы оперативной диагностики и идентификации основанные на обработке результатов сканирования состояния технологических процессов , с помощью использования микропроцессоров различной мощности (как на верхнем, так и на нижнем уровне ПО АСУТП);

- предложен многокомпонентный подход к анализу количественных характеристик программно-аппаратных комплексов, позволяющий одновременно использовать, как справочные данные о надежности, так и результаты экспериментальных испытаний, что существенно облегчает взаимодействие разработчиков и заказчиков при введении АСУ ТП в эксплуатацию. Это особенно важно для опасных технологических процессов (подход нашел применение для анализа надежности систем отображения технологической информации);

Практическая ценность диссертации

- показана необходимость оснащения современных SCADA систем средствами адаптивного управления, позволяющими значительно расширить класс применяемых законов управления и использовать методы оптимального управления;

- созданы прикладные средства оперативной диагностики динамических объектов, необходимые для адаптивного оптимального управления, которые интегрированы в SCADA систему МикСис;

- предложен многокомпонентный подход для оперативного анализа надежности программно-аппаратных комплексов; реализованный алгоритм адаптивного оптимального регулятора, скомпилированный в теле исполнительного модуля задачи реального времени RESIDENT.EXE Б С АО А системы МикСис, в настоящее время находится в промышленной эксплуатации в цехе биологической очистки воды КСА города Москвы.

- подготовленные средства адаптивного оптимального управления в рамках 8САБА системы МикСис, предназначенные для управления нестационарными процессами нашли практическое применение на других объектах (информационная система Курской АЭС, АСУТП переработки ЖРО).

- подготовленные средства адаптивного оптимального управления в рамках 8САОА системы МикСис введены в лабораторный практикум по курсу «Проектирование систем управления» на кафедре «Автоматика» МИФИ. Основные положения, выносимые на защиту

1) Результаты исследований нестационарных динамических объектов и их моделей, показавших целесообразность введения интеллектуальных программных средств, для оптимального адаптивного управления;

2) Средства идентификации, адаптивного оптимального управления (алгоритмы и программное обеспечение);

3) Характеристики объекта управления, подлежащие идентификации и позволяющие реализовать оптимальное адаптивное управление;

4) Средства отображения информации для управления рядом технологических объектов и средства обеспечения надежности отображения на этапе проектирования.

У Апробация диссертации Основные результаты диссертации неоднократно обсуждались на научных сессиях МИФИ, на производственных совещаниях, где докладывались результаты научных работ группы «Управление» (НИКИЭТ 2001, 2002, ИПУ 2003,2004).

Публикации. По материалам диссертации в различных изданиях опубликовано 13 работ (11 печатных работ, 2 научных отчета).

6. Результаты работы были использованы при разработке информационной системы Курской АЭС, АСУТП «Переработки жидких радиоактивных отходов», АСУТП «ЦБО Аэротенки КСА», АСУТП «Критического стенда» РНЦ "Курчатовский институт", АСУТП «Сушильной камеры кирпича», а также в лабораторном практикуме по курсу «Проектирование систем управления», который проводится на кафедре автоматика МИФИ.

Заключение.

В работе получены следующие результаты:

1. Анализ современных систем управления технологическими процессами показал, что в процессе управления, как правило, возникают ситуации, связанные как с сильным изменением состояния объекта, так и с изменением его динамических характеристик. Учитывая необходимость обеспечения требуемых режимов эксплуатации, предложено ввести в 8САЕ)А систему программные инструменты для оптимального приближения к проектным режимам.

2. Обеспечение должного качества управления может достигаться не только автоматически, но и оператором (как это делается, например в АСУТП АЭС). В этом случае важнейшей составляющей системы управления являются средства отображения технологической информации и специальное программное обеспечение с помощью которого осуществляется управление.

3. Для реализации автоматического управления разработано и внедрено в многоплатформенную БСАБА систему МикСис программное обеспечение адаптивного оптимального управления, в котором используются- результаты теории аналитического конструирования регуляторов.

4. Разработанное программное обеспечение функционирует на различных логических уровнях АСУТП (как верхнем на ПЭВМ, так и нижнем в контроллере).

5. Для ответственных производств необходимо обеспечение должного уровня надежности средств отображения технологической информации. Поэтому предложена методика экспресс анализа характеристик надежности, различных систем отображения, технологической информации.,

1. Артад X., Люшль JL, Марк Испру. Обнадеживающие перспективы: Вклад верной энергии // Бюллютень МАГАТЭ, Т.39 1997 - N1- Вена, Австрия.

2. Зигель А., Вольф Дж. Модели группового поведения в системе человек машина. М.: Мир, 1973, с.261.

3. Макаренко В.В., Власов В.А. Имитационная модель информационного взаимодействия группы управления и ПО АСУТП. Создание комплексных систем управления на предприятиях машиностроения // тез. докл. Всесоюз. научно технической конф. - Омск, 1979, С.109 - 110.

4. Макаренко В.В., Власов В.А. Применение имитационной модели оператора при разработке информационного обеспечения АСУ ТП АЭС // тез.доклада Всесоюзного НТС Полярные Зори, Кольская АЭС 1979 С53 -54.

5. Макаренко В.В., Арандоренко A.B. Эффективность диалога "Группа управления вычислительный комплекс АСУ ТП" на этапе внедрения ПО в опытную эксплуатацию // тез. докл. второй школы - семинара. Боржоми, февраль 1980, С.72.

6. Малашипин И.И., Сидорова H.H. Тренажеры для операторов АЭС -М.:Атомиздат 1979.

7. Чачко А.Г. Подготовка операторов энергоблока М.: Энергоиздат, 1986.'

8. Филипчук Е.В., Потапенко П.Т., Постников В.В. Управление нейтронным полем ядерного реактора М.: Энергоисздат, 1981.

9. Дискретный контроль полей энерговыделения в активных зонах ядерных реакторов / Емельянов И.Я., Дроздов A.B., Константинов JI.B., Назарян В.Г., Постников В.В. М.:Атомная энергия, 1974, т.37, С. 451 - 454.

10. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ М.: Высшая школа, 1989, С.45.

11. Новости системостроения // Промышленные контроллеры АСУ 2007- № 3-С. 1912,13,14,15,16,1720,21,22,23,

12. Прошин А.И. Новые возможности среды исполнения контроллеров SCADA "КРУГ-2000" // Промышленные контроллеры АСУ 2005 - №3 С.35-36.

13. Анзимиров JI.B. (AdAstrA Research Group, Ltd) Развитие технологий Trace Mode // Промышленные контроллеры АСУ 2006 - № 12 - С. 3638.

14. Новости системостроения-// Промышленные контроллеры АСУ 2005- № 6 - С. 24-29.

15. Новости системостроения // Промышленные контроллеры АСУ 2005- № 8 - С. 26-27.

16. Новости системостроения // Промышленные контроллеры АСУ 2006- № 1-С. 16.

17. Кнут Д.Э. Искусство программирования: Перевод с англ. М.: «Наука» 1987 С. 247.

18. Лебедев В.О., Комисарчук С.Ю., Обносов A.B. Структура1 и основные особенности программного комплекса создания- систем1 управления' «МикСИС» ПТК «УМИКОН»» // Промышленные контроллеры* АСУ. 2004.- №1.-35-41.

19. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы М.: Высшая школа, 1989.- 263с.

20. Ласков Ю.М., Калицун В:И.' Очистка' сточных вод в аэротенках М.: Стройиздат, 1996. С. 339-409.

21. Очистка сточных вод / Хенце*М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. -М.: «Мир», 2004. С. 160-186.

22. Цыпкин Я.З. Основы информационной теории идентификации М. «Наука» 1984. С.42-47.

23. Методы классической и современной теории автоматического.управления / под редакцией профессора К.А. Пупкова, в 5 т., Синтез регуляторов автоматического управления, М.: «Издательство МГТУ им. Н.Э1Баумана», 2004. Т.З С.545-552.

24. Толоконский А.О., Введение в АСУТТТ интеллектуальных программных средств для оптимального управления // Сборник: Научная сессия МИФИ 2007 год, Т.1, С.50.

25. Власов В.А., Толоконский А.О. Управление нестационарными системами первого порядка // Сборник: Научная сессия МИФИ 2004 год Т.1, С.40.

26. Квакернаак X., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления.: Пер. с англ. М.: Мир, 1977 С. 234 - 287.

27. Эйхкофф П. Основы идентификации систем управления: Пер. с англ. -М.: Мир, 1979 462 с.

28. Райбман Н.С. Что такое идентификация? М.: Наука, 1970 113с.

29. Сейдж Э.П., Мелса Дж. Идентификация систем управления М.: Наука, 1974 - С.42-47.

30. Современные методы идентификации систем / Под редакцией П.Эйхкоффа М.: Мир, 1983. - С.137-140.

31. Дейч А.М. Методы идентификации динамических объектов: Пер. с англ. М.: Энергия, 1979 - 240 с.35