автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированный комплекс исследования автоматических регуляторов и его применение при разработке адаптивных методов управления теплоэнергетическими процессами

На правах рукописи

Шилин Александр Анатольевич

АВТОМАТИЗРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ АДАПТИВНЫХ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2004

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники

Научный руководитель -

доктор технических наук профессор Светлаков Анатолий Антонович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Кориков Анатолий Михайлович;

Ведущая организация -

Новосибирский государственный технический университет

Защита состоится «09» декабря 2004 г. в 1700 часов на заседании диссертационного совета Д.212.268.02 в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу:

г. Томск, ул. Белинского 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: г. Томск, ул. Вершинина, 74.

Автореферат разослан «04» ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук доцент Воронин Александр Васильевич.

Д.212.268.02

д. т. н., ст. н. с.

2 оаГ-9 // ////

цгС? з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется потребностью в разработке эффективных методов управления динамическими объектами в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП) и в локальных системах автоматического регулирования (САР), реализованных на однокристальных микропроцессорах или на персональных компьютерах (ПК). В задачах проектирования АСУТП используются некоторые методы управления динамическими объектами такие, как ПИ, ПИД, ПДД и ПИДЦ. Однако возможности современных микропроцессоров позволяют создавать на их базе более сложные и эффективные методы управления, которые способны работать в условиях шума, изменения параметров объекта управления (ОУ). К таковым можно отнести объекты теплопотребления, парогенераторы, теплообменные аппараты, котлы и реакторы химической промышленности.

Остается актуальной проблема реализации созданных методов регулирования, используя локальные регуляторы. Примером решения этой проблемы может быть система SoftLogic, входящая в состав программного обеспечения (ПО) Trace Mode 5. Данное решение направлено на распределенные АСУТП, где регулятор представляет собой микроконтроллер, работающий совместно с терминалом или ПК, в качестве устройства ввода, вывода и визуального контроля. Очевидно, такой регулятор не может быть локальным. Существует система LabView, которая имеет в своем составе оборудование и ПО, что позволяет выполнять исследование САР как на моделях, так и на технологическом ОУ. В обоих случаях требуется использование контроллера совместно с ПК или терминалом, что существенно удорожает САР. Возможно, но неоправданно использовать такие системы для решения следующих задач:

• управление теплопотреблением жилого или производственного помещения;

• регулирование технологических параметров на небольших котельных установках;

• управление центральными тепловыми пунктами распределения;

• управление удаленными нефтеперекачивающими станциями.

Учитывая отмеченное выше, можно подчеркнуть две существующие

проблемы в создании САР на базе дешевых однокристальных контроллеров:

1. потребность в развитии концепции автоматизированного проектирования локальных САР;

2. создание эффективных методов регулирования, удовлетворяющих предъявляемых к ним требованиям и реализующих имеющиеся возможности современных однокристальных контроллеров.

Цель диссертации заключается в следующем: Создание автоматизированного комплекса' регуляторов (АКИАР), который позволяет повнсить'зф^вдвдад^ разработки

I ysrsal

и модернизации САР путем совершенствования методов автоматизированного проектирования и реализации локальных САР, базирующегося на современных возможностях вычислительной техники и учитывающего ограничения, связанные с применением однокристальных контроллеров.

Задачи исследования. Для реализации указанной выше цели в диссертации сформулированы и решены следующие исследовательские задачи:

• исследование и использование известных адаптивных методов регулирования для теплоэнергетических объектов и их реализация в виде функциональных модулей и прикладных программ;

• создание и исследование новых методов адаптивного управления на базе целочисленной арифметики;

• разработка и реализация новых подходов к созданию адаптивных САР, а именно создание технологии реализации исследуемых методов регулирования на базе однокристальных контроллеров, где предложена и внедрена концепция использования скриптпроцессора;

• создание и внедрение промышленного регулятора, с применением технологии, которая реализована в АКИАР.

Для решения поставленных научных задач создан АКИАР, базирующийся на современных средствах вычислительной техники и содержащий в себе полный функциональный набор, необходимый для проектирования и моделирования адаптивных регуляторов теплоэнергетических процессов. При создании АКИАР выполнены следующие технические задачи:

• разработка аппаратной части интерфейса связи персонального компьютера с объектом управления или реальным образцом регулятора;

• создание драйвера для управления периферийным оборудованием;

• создание объектно-ориентированной программы-оболочки АКИАР, которая реализует эффективный диалог пользователя с компьютером;

• разработка программ для анализа результатов экспериментов и параметров качества регулирования;

• построение программ, реализующих различные методы регулирования;

• создание лабораторного комплекса для автоматизации систем научных исследований методов автоматического регулирования на базе АКИАР, который позволяет эффективно проектировать и исследовать модели регуляторов, а также выполнять эксперименты на действующем объекте управления.

Методы исследования. Для достижения поставленной выше цели и решения сформулированных задач в работе использовались методы математического анализа, теории обыкновенных дифференциальных уравнений, преобразования Фурье и Лапласа, теории вероятностей и математической статистики, а также методов оптимального и адаптивного управления и методов математического моделирования, опирающихся на теорию дискретных систем автоматического регулирования. Выполнение

экспериментов по исследованию реализованных методов регулирования на разработанном в диссертации АКИАР.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Концепция, структура, функциональная схема и программное обеспечение АКИАР, являющееся средством программного и технического обеспечения повышающее эффективность разработки и реализации САР.

2. Методика применения АКИАР в решении задач проектирования и исследований адаптивных регуляторов теплоэнергетических процессов.

3. Методики проектирования адаптивных регуляторов, базирующихся на использовании эталонной модели регулируемого теплоэнергетического процесса и USWO-регулятора.

Научная новизна результатов работы заключается в том, что впервые:

• Предложена технология реализации методов регулирования, которая основана на использовании виртуального скриптпроцессора. Это позволяет автоматизировать этапы проектирования, связанные с созданием готовых образцов регуляторов, созданных на базе исследуемого метода регулирования.

• Предложен и реализован метод адаптивного управления на основе настраиваемой эталонной модели САР.

• Предложена универсальная модель динамического ОУ, позволяющая определять: астатизм ОУ, порядок передаточной функции и ее параметры.

• Предложен и реализован метод адаптации параметров регулирования USWO-регулятора с моделью.

Практическая ценность. Использование АКИАР в автоматизированном проектировании регуляторов позволяет эффективно создавать модели САР, строить характеристики ОУ в процессе их работы и создавать их математические модели. АКИАР является эффективным инструментом проектировщика регуляторов для создания САР различной степени сложности.

Он удобен для применения как в решении исследовательских задачах, так и в процессе обучения студентов по специальностям: автоматика, автоматизированные системы управления, адаптивные системы регулирования и т.д.

С помощью АКИАР развит подход к созданию микропроцессорных регуляторов на основе целочисленной арифметики, что позволяет существенно сократить требования к объему памяти и быстродействию используемого микроконтроллера.

Реализация результатов.

• Создано аппаратное и программное обеспечение АКИАР, позволяющее выполнять научные исследования методов регулирования.

• Реализован нелинейный алгоритм работы в процессе регулирования температуры в термокамерах со значительным временем транспортного запаздывания реакции ОУ.

• Организованно серийное производство регулятора системой отопления жилых и производственных помещений на базе адаптивного регулятора Ш^Ю-типа. К настоящему времени изготовлено и установлено на объектах более 50 регуляторов.

• На базе регуляторов РТ-22а и ВЭСТ-01.2 создана система постадаптации, предназначенная для поддержки проведения научных экспериментов на реальных объектах управления.

Публикации. По материалам, представленным в диссертации, опубликовано 11 статей, а также сделано 6 докладов на областных, российских и международных научных конференциях.

. • На защиту выносятся следующие положения:

• АКИАР, включающий устройства сопряжения с датчиками и исполнительными устройствами, а также программное обеспечение.

• Новые методы проектирования автоматических регуляторов на его базе.

• Адаптивные и неадаптивные методы регулирования, полученные путем исследования алгоритмов регулирования;

• Использование методов постадаптации для целей проектирования адаптивных регуляторов.

• Использование системы диспетчеризации регуляторов, находящихся непосредственно в технологическом процессе, для реализации автоматизированной постадаптации, а также для получения данных о параметрах и переходных процессах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и содержит 150 страниц основного текста, 73 рисунка и 22 таблицы.

В первой главе дается обзор проблем проектирования САР. Представлены этапы проектирования и их место в системах автоматизированного проектирования (САПР). Рассмотрены возможности ПК для автоматизации процесса проектирования регуляторов. Выделены этапы проектирования, поддающиеся автоматизации на базе ПК, а также те из них, которые не входят в цикл автоматизации известных систем проектирования. В частности, выделен этап создания реального образца регулятора, который включает в себя дорогостоящие и трудоемкие работы.

Чтобы включить вышеназванный этап в цикл автоматизации, предложен АКИАР, который является альтернативным решением проблем САПР для автоматических регуляторов. Определены функции и задачи, которые он должен выполнять. Поэтому первым этапом работы стала разработка АКИАР, который представлен в диссертации. Комплекс содержит весь необходимый функциональный набор для проектирования систем регулирования

динамическими объектами, и позволяет исследовать работу регулятора на реальном ОУ и быстро, подобно «^тиИпк», получать результаты моделирования системы управления.

Определена структура и характеристики АКИАР, которые позволяют использовать его в качестве реального регулятора. Подробно рассмотрена работа аппаратной части АКИАР, драйвер команд и его возможности. Представлено описание программы-оболочки для работы с АКИАР в диалоговом режиме. Описана файловая структура программного обеспечения АКИАР и методика создания алгоритмов регулирования на основе данного комплекса. Для того чтобы можно было решать задачи анализа, реализованы основные численные методы определения параметров и критериев качества регулирования применительно к АКИАР. Предложена методика разработки пользовательских программ для анализа результатов экспериментов и интеграции этих программ в состав АКИАР.

После того, как автор разработал регуляторы РТ-22а и ВЭСТ-01.2, появилась возможность модернизировать АКИАР. Эти регуляторы способны накапливать архив значений входных данных и значений сигналов управления, а также заменить аппаратную часть интерфейса связи персонального компьютера с объектом управления. По этой причине, в третьем разделе представлена новая версия АКИАР, которая значительно проще и дешевле предыдущей.

Во второй главе представлена теоретическая база, которая использовалась для создания адаптивных регуляторов. В частности, введено понятие адаптивного регулирования и приведен перечень теоретических задач, решаемых при создании адаптивного регулятора. Представлена классификация адаптивных систем, которые применялись в данной работе. Описаны следующие методы регулирования:

• адаптивное управление с использованием принципа переменной структуры;

• принцип максимума в нелинейных системах адаптивного регулирования;

• метод автоматической стабилизации с эталонной не настраиваемой моделью основного контура;

• адаптивное управление с подстраиваемой моделью объекта управления;

• использование оптимального оператора связи параметров регулятора и параметров ОУ в задаче адаптивного управления с настраиваемой эталонной моделью.

При описании метода регулирования вводятся математические модели цифровых регуляторов, представляющие алгоритмы их функционирования.

В частности отмечено, что модель регулятора, полученная с помощью принципа максимума Понтрягина, является частным случаем обобщенной модели Ш^Ю-регулятора. Так, например, решение с помощью принципа максимума Понтрягина задачи оптимального управления объектом управления, описываемым уравнением

определяется равенством

г- / 1 »-Э , I ,к

и - Slgn{—J= • X + —j==r X • |JC |)

где x - измеренное значение выхода ОУ, а У и х'- соответственно его первая и вторая производные; Sign() - знаковая функция

Математическая модель универсального USWO-регулятора, полученная на основе оптимальных решений для различных ОУ, описывается соотношениями

'Mod(u) = ku-F(\x\,\x'\,\x% - Sign(u) = signikj • д:+к2 • х' • |х'| + къ • х' ■ х" • |х'|), и = Mod(u) • sign(u),

где МиМз- параметры управления. Функции Mod и Sign - определяют соответственно амплитуду и знак величины управляющего воздействия. Такой регулятор способен работать с достаточно широким диапазоном параметров ОУ, сохраняя преимущества перед традиционными ПИД-регуляторами.

Показано, что модель регулятора, полученная с помощью принципа максимума, является частным случаем USWO-модели. Действительно, если выполнить условия:

где - зона нечувствительности, то получиться решение, соответствующее уравнению (1).

Предложен принцип построения адаптивной системы регулирования с использованием оптимального оператора связи параметров ОУ с параметрами регулирования. Благодаря наличию оптимальной связи параметра То модели ОУ и параметра Тр регулятора, для каждого варианта настройки Тр имеется параметр ОУ То соответствующий оптимальной настройки. Следовательно, известно как должен вести себя объект с соответствующей настройкой регулятора. Алгоритм адаптации заключается в следующем: если поведение ОУ отличается от желаемого поведения модели объекта, то регулятор перестраивает свои параметры вместе с параметрами желаемой модели до тех пор, пока поведение реального ОУ не станет похожим на поведение оптимальной модели объекта. В результате, происходит косвенная идентификация параметров действующего ОУ.

Проведен анализ разностных уравнений, описывающих динамических ОУ с астатизмом первого и второго порядка. По результатам анализа получена модель разностного уравнения, где оцениваемые коэффициенты уравнения нормированные, тесно связанные с параметрами ОУ. В процессе оценивания параметров модели, можно оперировать усредненными значениями измеряемых величин и их производных, а также изменять время дискретизации

оцениваемой модели. В результате метод оценивания параметров ОУ с помощью предложенной модели устойчив в условиях шума.

Третья глава посвящена исследованию работы предложенных методов регулирования. Рассмотрены следующие типы регуляторов: ПИ-регулятор, Ш^О-метод регулирования, регулятор с переменной структурой на базе Ш^О и ПИ-методов регулирования, а также нелинейный адаптивный регулятор с ненастраиваемой эталонной моделью.

Каждый метод сопровождается теоретическим обоснованием, математической моделью регулятора, результатами исследования работы регулятора в различных режимах. Кроме этого, прилагаются результаты экспериментальных исследований процессов адаптации изменяемых параметров.

Чтобы можно было сравнивать методы регулирования, была разработана методика сравнения качества работы регуляторов. Для каждого регулятора выполнены измерения переходной и импульсной характеристик замкнутой цепи САР. Рассматриваются следующие условия:

• САР, которая настроена оптимально;

• САР, которая настроена оптимально в условиях воздействия шума и работает в условиях изменения параметров объекта.

Получены результаты исследования работы регулятора в различных режимах. Результаты получены как на моделях ОУ, так и на реальном объекте управления (использовалась термокамера) с помощью средств АКИАР. Результаты экспериментов представлены в виде переходных характеристик. Показатели качества работы регуляторов оформлены в виде таблиц. Проведено сравнение результатов исследований и сделаны выводы.

Исследования работы Ш^О - регулятора показали, что он имеет существенный недостаток: это неудовлетворительная работа САР в условиях шумового воздействия на измеряемые величины. Это связанно с необходимостью вычисления производных от измеряемых величин. Вычисление производных от значений измеряемых сигналов объекта возможно при выполнении, по крайней мере, двух условий:

1. Ошибка дискретизации измеренной величины ОУ должна быть более чем на порядок меньше значения изменения этой величины за шаг дискретизации.

2. Эффективное значение шумового воздействия на измеряемую величину должно быть более чем на порядок меньше значения изменения этой величины за шаг дискретизации.

Исследования работы Ш^О-регулятора позволили сделать вывод: эти условия не выполняются в любом из следующих случаев:

• значение рассогласования системы соизмеримо с ошибкой дискретизации.

• время дискретизации на 2 - 3 порядка меньше постоянной времени ОУ.

Проведены исследования регулятора с переменной структурой. Идея

заключается в замене закона регулирования, в случае малого рассогласования системы управления, линейным законом регулирования без вычисления производной. Такой регулятор описывается следующим образом:

если И + И > S,, то алгоритм регулирования описывается соотношениями

Sign = Sign{s + k2-s' ■ ' |);

_

если M + M < S,) то алгоритм регулирования описывается равенством

2-T-l-a a + 2-T a-2-T

U. = U. ,----+ £.--— + £, ,--

' м \ + а + 2-Тр ' \ + а + 2-Тр м l + a + 2-Г^-1 Qfi-r2 -it-

где имеет место равенство лр ~ Л2.

На рис.1 и рис.2 представлены переходные процессы САР на основе комбинированного метода. Значения параметров

ОУ: k = 500" , То = 200 е., Tz = 20 е.- (для рис.1.а) и к = 2500"1, То = 1000 с., Tz = 50 с. - (для рис. 1.6).

Р,с t,c

а) 6)

Рис. 1. Результаты моделирования САР для инерционного ОУ с астагазмом В системах автоматического регулирования с транспортным запаздыванием реакции ОУ на сигнал управления предложено использовать обратную связь по скорости изменения выхода ОУ, т. е. по производной от значения рассогласования. Был синтезирован USWO-регулятор с предупреждением запаздывания, который описывается следующими соотношениями:

Sign = Sign[s + k2 • S'' • '' | + ■ + k3-s' • Sign(s +k2-e' • j) • Sign(s)],

где слагаемое k2'S • Sign{£ + k2-S -jf ^)-Sign(E) является мерой предупреждения запаздывания.

Исследования этого метода показали хорошие результаты, представленные на рис.2.

а) б)

Рис.2 Результаты моделирования САР для ОУ с запаздыванием Установлено что, USWO-методы регулирования имеют плохую устойчивость системы к шумовому воздействию на регулируемую величину. Как видно из рис.3, при воздействии шума параметры качества несколько ухудшаются, особенно если постоянные времени объекта значительно превышают время дискретизации системы. Абсолютное значение шума, выраженное в процентах подобно значению рассогласования равно; на рис. З.а

(I) ¿ = 1.0 и (П) 8 = 2.0, на рис. 3.6(1) 5=05 и (И) (5 = 1.0.

а) б)

Рис.3. Результаты моделирования САР в условиях шума Введение вспомогательной модели в USWO-алгоритм регулирования, позволило получить хорошие результаты, не вычисляя производных от измеренных значений. Обобщенную модель такого регулятора можно представить следующими соотношениями:

где хт- значение выхода вспомогательной модели.

На рис.4, представлены результаты моделирования САР на основе данного метода регулирования. Параметры ОУ выбраны в соответствии с экспериментами, описанными в предыдущих разделах. Значения параметров

Рис.4. Результаты моделирования САР для инерционного ОУ с астатизмом Данный способ регулирования имеет свойства адаптивных систем регулирования с эталонной моделью. Исследования показали, что имеется возможность существенно расширить диапазон адаптации этого регулятора за счет увеличения времени переходного процесса. Так, например, постоянная времени объекта может меняться в 25 раз. Результаты этих исследований показаны на рис.5.

Рис.5. Результаты моделирования, при больших изменениях постоянной времени ОУ

Первая кривая соответствует постоянной времени ОУ, равной 200 сек, а 2,3, 4 и 5 соответствуют постоянным времени, равным 500,1000, 2000 и 5000 сек. Таким образом, устойчивость регулирования сохраняется при изменении постоянной времени ОУ в 25 раз.

Наиболее важным преимуществом этого регулятора является устойчивость к воздействию шума на измеряемые значения. На Рис.б.а и 6.б представлены

результаты исследований ОУ с параметрами: к —1-10 , Тг = 20с. и

£ = 4-10 , Тг = 60с. соответственно, дисперсия воздействующего на ОУ

шума в обоих случаях равна #=4.0,

Рис.б. Результаты моделирования САР в условиях воздействия шума Так как этот метод не требует вычисления производных и использует только накопленные (интегрированные) данные, то он оказывается устойчив к шумовым воздействиям. Если ОУ очень медленно меняет свое значение, то воздействия шума также не сказываются на работе регулятора, что подтверждают результаты моделирования, представленные на рис.б.Ь

В табл.1 представлены численные характеристики качества управления рассмотренных методов регулирования такие, как:

интегральный критерий качества переходного процесса - J, та есть среднее квадратичное значение ошибки во время переходного процесса; интегральный критерий качества установившегося режима - Б; время переходного процесса-

Название метода регулирования для двух случаев: а и б. 0 0

А 6 а 6 А 6

ПИД-регулятор 2219 10272 0.1 3.4 700 3600

То же, но в условиях шума 2336 10510 2.1 8.6 700 3800

118>УО-регулятор 2170 10010 0.6 2.3 400 1400

То же, но в условиях шума 4 2142 1668 2.9 8.2 650 4200

ШЧЮ-регулятор с переменной структурой 2184 10010 0.1 2.4 350 1450

То же, но в условиях шума 2150 10400 2.5 8.2 500 3650

118\УО-регулятор с предупреждением запаздывания 2100 9680 0.1 2.1 300 1400

То же, но в условиях шума 2200 22280 2.5 9.2 400 3600

ШЧУО-регулятор с моделью 2034 9610 0.1 0.1 250 1300

То же, но в условиях шума 2054 9807 2.1 2.1 250 1300

По характеристикам качества регулирования можно отметить, что более эффективным является USWO-регулятор с вспомогательной моделью.

Проведены исследования работы этого регулятора с объектами, которые имеют большое транспортное запаздывание. На рис.7, представлен переходный процесс системы регулирования с воздействием шума и наличием транспортного запаздывания 750 секунд.

Рис.7. Результаты моделирования САР с транспортным запаздыванием в

условиях воздействия шума Предложены адаптивные алгоритмы управления с идентификацией параметров ОУ. При этом рассмотрены два типа регуляторов: адаптивный ПИ-регулятор с настраиваемой эталонной моделью на основе оптимального оператора связи и нелинейный адаптивный регулятор с настраиваемой моделью основного контура.

Адаптивный ПИ-регулятор с настраиваемой эталонной моделью описывается следующими соотношениями:

где х- значение выхода ОУ, М- значение управления, ^р -настраиваемый параметр постоянная времени регулирования, СС- параметр регулирования соответствующий коэффициенту интегрирования ПИД-регулятора, Р'

коэффициент оператора связи параметра ОУ с параметром ^р, 3 • функционал-критерий оптимального регулирования, коэффициент

усиления контура адаптации.

На рис.8, представлены процесс настройки параметра регулирования и переходный процесс системы управления, где модель ОУ по своей структуре

совпадает с эталонной моделью адаптивного регулятора, когда отсутствует время запаздывания. Исследования показали, что параметр ОУ может изменяться в пределах двух порядков, при этом адаптивный регулятор способен настраиваться на оптимальный режим. В результате, когда ЦУ достигнута, модель ОУ становится адекватной эталонной модели.

Рис.8. Результаты работы регулятора адаптивного ПИ-регулятора Если ОУ имеет транспортное запаздывание реакции ОУ на сигнал управления то эталонная модель отличается от модели ОУ, но и в этом случае регулятор сохраняет свойства адаптации. Исследования такого ОУ показали, что если выполняется условие

то система управления устойчива и значение перерегулирования не превышает 60%. Результаты моделирования представлены на рис.9.

Рис.9 Результаты работы регулятора с запаздыванием По результатам проделанной работы можно убедиться, что адаптивный регулятор с настраиваемой эталонной моделью имеет достаточно широкий диапазон адаптации. Применение такого регулятора вместо популярных промышленных регуляторов, типа Р-25 или РП-4, позволяет исключить ручную настройку системы управления, а также существенно понизить требования к стабильности параметров реального ОУ.

Данный метод адаптивного регулирования с настраиваемой эталонной моделью основного контура использовался в качестве регулятора на базе АКИАР. В качестве объекта управления использовалась термокамера. Датчик температуры был расположен вблизи от нагревающих элементов, поэтому время транспортного запаздывания в системе регулирования близко к нулю. Результаты исследования процесса адаптации и переходной характеристики с ненастроенным регулятором представлены на рис. 10.

1200

1000

' 800

400 200

Ь г

Рис.10. Результаты работы регулятора с термокамерой.

После того, как датчик температуры расположили на некотором расстоянии от нагревающих элементов, появилось время запаздывания. Результаты исследования процесса адаптации и переходной характеристики с ненастроенным регулятором представлены на рис 11.

ь ь

Рис.11. Результаты работы АР с запаздыванием Обычно, в термокамерах при управлении температурой имеет место запаздывание реакции ОУ на сигнал управления по времени. При этом может нарушиться устойчивость системы регулирования. Рассматриваемый адаптивный ПИ-регулятор способен работать и с подобными ОУ, если время

запаздывания удовлетворяет неравенству

/,<0.4т„.

Результаты подтверждены экспериментальными исследованиями в лабораторных условиях, в качестве объекта управления использовалась термокамера.

В нелинейном адаптивном USWO-регуляторе с вспомогательной моделью основного контура применен алгоритм адаптации по переходному процессу. Суть метода заключается в вычислении интегрированных показателей:

= г2/Л, ЦТО = (83+84) /(81+82), Ц'х = 8х2/8х1,Ш = 81 /Л, где И, И, 13 - интервалы времени, первый начинается в начале переходного процесса и заканчивается сменой знака сигнала управления, затем также определяется второй, третий и четвертый;

81,82,83,84 - интегрированные значения сигнала управления за соответствующие интервалы времени;

8x1,8x2 - накопленные значения рассогласования за интервалы времени И, Х2. По этим показателям можно определить следующие четыре ситуации, в каждой из которых ясно направление изменения параметров регулирования.

1. Если Iт > 0.2, то Ту = Ту/(1 + Ш * к1);

2. Если ГСе>0.1,то Тр = Тр* ехр((0.1 - \Ух) *к2);

3. Если т > 1.5, п Ту-7)/* * кЗ);

4. Если Ш < 0.95, юТр=Тр* ехр(к4);

где к1)к2,к3,к4 - коэффициенты усиления контура адаптации.

Ниже приведены результаты моделирования процесса адаптации. На рис.12, в качестве ОУ использовалась модель, а на рис.13 в качестве ОУ использовалась термокамера.

1*0 ш

Ыошчт ruptcmpototu траттроврпуюшюра

т»~т ijp'ioooo

I

500

Ti=SU lp-°22U

I

1000

I

1500

I

2000

t,e

500

1000

I

1500

2000

V

jiiL

(ЬюшмкифИ)» JW4 55 Tp^6&62

t,e

■ i ii 500 1000 1500 2000

Рис.12. Процесс адаптации по переходной характеристике

Рис. 13. Процесс адаптации по переходной характеристике для термокамеры

Как видно из рисунка 13, установившийся параметр - Тр значительно отличается от оптимального параметра. Однако переходные процессы оптимальной и настроенной систем регулирования не сильно отличаются. Для настройки параметра Тр достаточно определить его порядок.

Этот алгоритм адаптации имеет существенный недостаток: для реализации настройки параметров требуется значительное возмущение системы. В качестве возбуждения системы может быть следующее:

1. Ручная установка заданного выходного значения объекта регулирования, отличающегося от установленного значения. Это предполагает участие человека.

2. Периодическая автоматическая смена задания для системы регулирования. Некоторые системы управления имеют скачкообразные изменения заданного значения ОУ в технологических требованиях, например, температурное понижение в ночное время суток для систем отопления производственных помещений.

3. Также существуют такие технологические системы, которые позволяют в определенное время изменить заданное выходное значение ОУ. Таким образом, требуется, по крайней мере, два переходного процесса для адаптации или проверки настроек системы управления.

Достоинством такой системы автоматической подстройки параметров является следующее:

1. Все вычисляемые показатели переходного процесса являются относительными. Это значит, что они не зависят от конкретных значений физических параметров ОУ и системы в целом.

2. Показатели имеют строго определенные значения, которые соответствует оптимальному режиму регулирования, и эти значения совпадают для двух типов ОУ, а именно с астатизмом второго порядка и инерционных объектов с астатизмом первого порядка.

3. Достаточно вычислить порядок значения параметра Тр, и с 10% вычислить параметр 7У, чтобы система регулирования была близка по параметрам к оптимально настроенной. Это связано со свойствами пассивной адаптации ненастраиваемого регулятора.

В четвертой, заключительной главе приводится сравнительный анализ результатов, изложенных в двух предыдущих главах. Представлены выводы и решения по реализации предложенных алгоритмов регулирования. Рассмотрены проблемы реализации алгоритмов на микроконтроллерах среднего класса. Предложен метод реализации алгоритма на основе целочисленной арифметики и описаны преимущества данного подхода. Реализован единый подход для связи процессора с различными датчиками и исполнительными устройствами на основе популярных протоколов связи, таких как МюгоЬап и ПС. Представлен пакет программ, предназначенных для автоматизированного проектирования регуляторов. Этот пакет включает графический редактор структурных схем регуляторов, процессор сценариев, систему моделирования сценариев и систему отображения результатов моделирования. Основой для автоматизированной реализации регулятора является метод моделирования на базе скриптпроцессора, который реализован, как в ПО АКИАР, так и в регуляторе ВЭСТ-01.2.

Структурная схема ПО для АКИАР представлено на рис 14. Это программное обеспечение является новой версией программного комплекса АКИАР. По мере введения регулятора в серийное производство была реализована возможность постадаптации. Рассмотрены преимущества и недостатки постадаптации. В заключение этой главы рассматриваются перспективы развития АКИАР.

Рис. 14 Структура ПО для АКИАР.

В процессе работы над диссертацией были изучены различные методы автоматического регулирования, а также адаптивные методы регулирования. Основное внимание уделялось динамическим системам управления технологическими процессами, где возможно использовать однокристальные, дешевые ЭВМ Анализ этапов проектирования показал необходимость разработать систему автоматизированного проектирования замкнутых систем регулирования. Результатом этой работы стал АКИАР, который позволяет исследовать работу будущего регулятора на моделях, а также на реальном объекте управления. Большая часть результатов исследований была получена именно с помощью АКИАР первой версии.

В процессе моделирования были найдены более эффективные методы регулирования. Например, USWO-регулятор с предупреждением транспортного запаздывания. Несмотря на плохую устойчивость к шумовым воздействиям на ОУ, регулятор удобно использовать для ОУ с большим транспортным запаздыванием.

По результатам исследования настроенных регуляторов, были выбраны два из них для реализации идентификационных методов адаптации. Первый регулятор на основе ПИ-закона регулирования, второй регулятор с нелинейной моделью основного контура. Эти регуляторы способны работать при повышенном шумовом воздействии на ОУ, а так же при использовании датчиков физических величин с малой дискретностью АЦП. Регулятор на базе нелинейной модели основного контура был реализован и запущен в серийное

производство на предприятиях ООО «КОНТО» и 0 0 0 НПО «ВЭСТ», паспортное название ВЭСТ-01.2.

Регулятор ВЭСТ-01.2 создан и используется для систем управления теплопотреблением жилых и производственных помещений. Имеет ряд дополнительных сервисных функций для сбора, приема и передачи данных, удаленной настройки. Является не только регулятором с современными возможностями автоматизированной настройки, но и удобным инструментом для проведения научных исследований процессов адаптации. Этот регулятор стал основой для дальнейших исследований процессов автоматического регулирования. На базе регулятора ВЭСТ-01.2 исследованы процессы постадаптации по переходному процессу.

Проведены исследования на разных действующих динамических объектах управления и подтверждены актами внедрения. Так, например, регулятор был испытан в течение отопительного сезона на более чем 30 объектах управления теплопотреблением жилых и производственных помещений. Результаты анализа статистики теплопотребления зданий до внедрения системы регулирования и после ее внедрения подтвердили факт снижения теплопотребления в среднем на 30%. В денежном представлении, экономия на теплопотреблении жилого 80-квартирного дома составляет 20 тыс. руб. в месяц зимнего периода. Если пересчитать экономию от внедрения регулятора на 30 объектах в течение отопительного сезона, то она составит более трех миллионов рублей.

Регулятор ВЭСТ-01.2 был испытан в системе регулирования температуры системы горячего водоснабжения. Данный объект характеризуется наличием большого уровня шумового воздействия на систему регулирования. На данный момент регулятор установлен на более чем 5 таких объектах и удовлетворяет техническим требованиям к системе регулирования.

Регулятор был испытан на объекте управления с очень большим временем транспортного запаздывания сигнала управления. Таким объектом стала система управления теплопотреблением «Областного сельскохозяйственного торгового дома» ОГУП, г.Томск. Время транспортного запаздывания составляло более 30 минут. В таких условиях невозможно было добиться устойчивости системы управления при использовании Московского промышленного регулятора АРТ-01. После замены регулятором ВЭСТ-01.2, систему удалось настроить.

Также была исследована работа регулятора в системе вентиляции зданий. Система признана работоспособной.

Структура программного обеспечения ВЭСТ-01.2 стала основой модернизации АКИАР. Таким образом, появилась его новая версия, являющаяся визуальной системой проектирования САР на базе целочисленной арифметики. В качестве аппаратного обеспечения используется тот же регулятор ВЭСТ-01.2 совместно с персональным компьютером. Такая система может стать основой для выполнения лабораторных и научно-исследовательских работ в рамках учебного процесса.

Работы, выполненные в рамках данной диссертации, имеют перспективы дальнейшего развития, например, следующие:

• Исследования переходных процессов на реальных технологических ОУ.

• Разработка регуляторов давления, уровня жидкости, влажности и других физических величин, а также получение переходных процессов для исследования.

• Лабораторный комплекс для исследований процессов адаптации в замкнутых системах автоматического регулирования.

Программное обеспечение, разработанное автором диссертации, зарегистрировано в реестре программ Российской федерации, получено свидетельство. Разработка и внедрение регулятора, а также программа диспетчеризации и управления системами теплопотребления отмечены дипломом конкурса «Сибирские Афины». Программа диспетчеризации и управления системами теплопотребления отмечена золотой медалью отборочного этапа межрегионального конкурса «Лучшие товары и услуги СИБИРИ - ГЕММА 2003» по Томской области.

В заключение можно сказать, что предложенная структура регулятора ВЭСТ-01.2 может стать основой универсального подхода к проектированию систем управления технологическим процессами. Сейчас имеется пакет программ, созданный совместными усилиями НПО «ВЭСТ» и кафедрой информационно измерительной техники ТУСУРа, который позволяет проектировать различные системы регулирования на базе ВЭСТ-01.2. Большая часть научно-исследовательских работ по созданию регулятора ВЭСТ-01.2 и моделирования системы регулирования . выполнялись с помощью этого программного обеспечения.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1 Светлаков А.А Шилин А.А. Автоматизированный комплекс исследований замкнутых систем автоматического регулирования. Сборник научных трудов НИИ AM. 2000г. - cc. 115-118

2 Светлаков АА., Шилин А. А Анализ проблем применения классического и адаптивного подходов к созданию регулятора водогрейного котла ТУСУР Томск, 1997, - 17с, деп. в ВИНИТИ

3 Светлаков А.А., Шилин А.А. Учебно-лабораторный комплекс для исследования автоматических регуляторов и систем регулирования. Труды конференции "Проблемы учебно-методической и воспитательной работы в школе и ВУЗе, - Томск, ТГПУ, 22-26 февраля, 1999.

4 Светлаков А.А., Шилин А.А.. Автоматизаированный комплекс исследований автоматических регуляторов и объектов. Труды IV Международной конференции АПЭП-98, - Новосибирск, 23-26 сентября,13 том, 1998.

5 Шилин А.А Адаптивность регулятора на основе USWO-алгоритма // Пятая областная научно-практическая конференция студентов аспирантов и молодых ученых "СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ". Сб. статей, - Томск: Изд-во ТПУ, 1999. - сс.133-135.

6 Шилин А.А, Светланов АА Программный интерфейс управления автоматизированным комплексом исследований автоматических регуляторов Сборник научных трудов НИИ AM 2000г. - сс,118-121

7 Шилин А.А. Адаптивный нелинейный регулятор с эталонной моделью // Доклады Томского университета систем управления и радиоэлектроники. Том 9. Автоматизированные системы обработки информации и управления. Сборник научных трудов - Томск: ТУСУР. 2004г. сс181-184

8 Шилин АЛ. Адаптивный ПИ-регулятор с настраиваемой оптимальной моделью системы автоматического регулирования. -№3365-В98,1998.9с. деп. в ВИНИТИ

9 Шилин А.А. Алгоритм подстройки параметров эталонной модели нелинейного модифицированного USWO регулятора // Доклады Томского университета систем управления и радиоэлектроники. Том 9. Автоматизированные системы обработки информации и управления. Сборник научных трудов, - Томск: ТУСУР. 2004г. с. 185-191

10 Шилин А.А. Анализ стационарности коэффициентов уравнения описывающего объект при конструировании адаптивного управления динамическим объектом. - ТОМСК, ТУСУР, Вторая региональная научнотехническая конференция 35 летая ТУСУР 1997г.

11 Шилин А.А. Оптимизация оператора связи в задаче адаптивного управления. Научно практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых 21-23 декабря 1998, - Томск, ТГПУ

12 Шилин А.А. Универсальная подстраиваемая модель динамического объекта управления для замкнутых адаптивных систем управления // Пятая областная научно-практическая конференция студентов аспирантов и молодых ученых "СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ". Сб. статей - Томск: ТПУ, 1999. с. 145-146

13 Shilin A.A., Adaptation Class Extension of Pi-Regulator By the Customizable Standard Models. // Proceedings. The third international symposium. SIBCONVERS'99.- Tomsk, TUCSR, Volume 1, pp.211-212

Тираж 100. Заказ 1225 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники пр. Ленина, 40

Введение

1. Автоматизированный комплекс исследования автоматических f регуляторов

1.1 Проблемы автоматизации процессов разработки, реализации и исследования САР

1.2 Назначение, возможности и структура АКИАР

1.3 Программный интерфейс управления для АКИАР и его возможности

1.4 Численные методы исследования качества работы САР 39 i! Заключение по первой главе

2. Адаптивные методы регулирования

2.1. Сущность адаптивного подхода

2.2. Классификация адаптивных систем 52 2.3 Адаптивная система с использованием принципа переменной структуры

2.4. Принцип максимума в системах переменной структуры

2.5. Метод автоматической стабилизации с эталонной не настраиваемой моделью основного контура

2.6. Адаптивные системы с подстраиваемыми моделями ОУ

2.7. Оптимальный оператор связи в задаче адаптивного 64 управления с настраиваемой эталонной моделью

2.8. Универсальная модель для идентификации динамических объектов управления

С повышением уровня производства, в условиях оптимального использования ресурсов актуальным становится использование автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), позволяющее существенно повысить эффективность различных технологических процессов.

В состав современной АСУТП [41] входят следующие компоненты:

• автоматизированное рабочее место (АРМ);

• система сбора данных и передачи управления;

• датчики физических величин;

• исполнительные устройства.

АРМ представляет собой один или несколько персональных компьютеров (ПК) с соответствующим программным обеспечением (ПО). В качестве примера, можно привести ПО «Trace Mode» известной московской фирмы AD ASTRA [7]. Система сбора данных и передачи сигналов управления в свою очередь - это какое-либо микропроцессорное устройство (МПУ) или микроЭВМ. МПУ обычно содержит в себе следующие функциональные блоки: АЦП, ЦАП, дискретные входные и выходные каналы и средства связи с АРМ. В качестве примеров МПУ, используемых в промышленности, можно назвать Ремиконт, Ломиконт, ADAM, ControlLogix, PC-100 и др.

Микропроцессорное устройство [42] может иметь собственные устройства ввода-вывода и индикации измеряемых параметров и их уставок, а также внутренний программируемый блок принятия решений для локального технологического процесса. Такое МЕТУ может функционировать самостоятельно, без участия АРМ. Следует отметить, что МПУ может получать одни сигналы управления от АРМ, другие формировать в рамках собственного блока принятия решений. Обычно - одно МПУ обслуживает один или несколько объектов управления.

Объекты управления могут быть статическими и динамическими. МПУ совместно с динамическим: объектом управления (ОУ) представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования (САР). К замкнутым GAP можно отнести системы поддержания температуры в термокамерах [22], давления в паровых котлах, уровня воды в резервуарах и др.

Программу, реализующую алгоритм управления технологическим процессом, можно составить на различных языках программирования. В традиционных SCADA-системах предусмотрены два языка: Техно FBD и Техно IL. Они реализуют стандарт МЭК-1131, созданный для АСУТП. Подпрограмма модели регулятора может быть реализована на языке ассемблера, на языке, функциональных FBD- блоков или на языке IL-инструкций.

Язык Техно FBD предназначен для разработки алгоритмов в виде диаграмм функциональных блоков, подобно программному пакету «SimuLink», входящему в состав ПО «MathLab». Программы на Техно IL записываются как последовательность, инструкций. Этот язык позволяет программировать функциональные блоки для языка Техно FBD и создавать метапрограммы.

Набор инструкций, включенных в языки Техно FBD и Техно IL, представляет собой библиотеку подпрограмм для формирования алгоритма регулирования [39], а именно: элементы алгебры логики, интеграторы, дифференциаторы, линии задержки и др., выполняющие основные математические функции. Для создания алгоритма регулирования в инструкциях языка Техно FBD имеются модули, реализующие известные законы регулирования динамическими объектами управления, такие, как ПИ, ПИД, ПДД и ПИДД [41].

В процессе разработки регуляторов можно пользоваться готовой SCADA-системой, в которой реализованы различные упомянутые выше языки программирования моделей регуляторов. Такая SCADA-система, как "TRACE MODE5" позволяет:

• конструировать алгоритмы, описывающие модели систем регулирования;

• выполнять моделирование в реальном времени;

• исследовать работу полученной модели регулятора на реально действующем объекте управления (ОУ).

Однако имеется существенный недостаток: моделирование может проходить только в реальном времени, поэтому интервал времени для получения переходных и импульсных процессов очень велик. Для быстрого получения результатов, очень удобно использовать систему "SimuLink", предназначенную для визуального проектирования1 моделей и алгоритмов управления. В систему входят графический редактор, компиляторы известных языков программирования, модули для отображения и архивирования полученных результатов и многое другое. При этом; интервал времени пересчета результатов моделирования очень мал, что позволяет быстро получать результаты эксперимента. Однако в базовом наборе ПО2 "MathLab" отсутствует возможность подключения реальных ОУ к системе регулирования на базе моделей "SimuLink". Автоматизированный комплекс для исследования автоматических регуляторов (АКИАР), который представлен в диссертации, содержит необходимый функциональный набор для проектирования систем; регулирования динамическими объектами. Он позволяет исследовать работу модели регулятора на реальном ОУ и быстро, подобно «SimuLink», получать результаты пересчета параметров системы управления.

Представленная диссертация посвящена проблеме разработки цифровых математических моделей регуляторов динамическими объектами управления для АСУТП и созданию автономного регулятора, совместимого с программным обеспечением для АСУТП. В работе также рассматриваются задачи синтеза адаптивных цифровых регуляторов. Реализованы цифровые модели регуляторов, используя известные модели их аналоговых реализаций, применяемых в промышленности, а также их адаптивные модели, взятые из учебной литературы и периодических научных изданий.

Состояние; проблемы. В современных АСУТП имеются готовые FBD-модули, реализующие известные законы регулирования замкнутыми системами автоматического регулирования. Однако САР, построенная на базе этих модулей, способна эффективно работать только с простыми динамическими ОУ. Практика показывает, что использование этих FBD-модулей со сложными динамическими ОУ, характеризующимися большой инерционностью и непостоянством параметров в процессе функционирования, оказывается мало эффективным и в условиях запаздывания сигналов управления и шумовых воздействий на датчик физических величин. Так, например, при наличии шумового воздействия на датчики физических величин и большой инерционности ОУ вычисление производной от значений измеренных сигналов оказывается невозможным. Другими словами, стандартные цифровые регуляторы, имеющие модули вычисления производной, становятся неработоспособными со сложными динамическими ОУ.

В промышленных аналоговых регуляторах прошлого поколения были предприняты попытки по решению вышеназванных проблем. В качестве примеров можно привести:

• регулятор РП-4, в котором применена изодромная цепь [4], устойчивая к воздействию шума на значения измеренных величин;

• регулятор Р-29, в котором использован принцип адаптивного регулирования с ненастраиваемой моделью основного контура [27, 28].

К настоящему времени методы по улучшению характеристик регуляторов детально проработаны. В результате появились такие методы регулирования, как:

• безидентификационные методы адаптивного управления:, с переменной структурой [18], с большим, контурным усилением [43], с эталонной моделью основного контура [16,50];

• адаптивные методы: с идентификацией параметров ОУ [53], с определением оптимальной настраиваемой моделью основного контура [45] и др.

Реализация перечисленных методов на базе МГТУ сегодня не представляет сложности. Сейчас на рынке широко представлены автоматические регуляторы на базе МПУ, которые могут работать SCADA-системы: регуляторы отечественного производства ТЕПЛУР (г. Москва), РТ-99 (г. Минск) и APT (г. Москва, фирмы «ТЭМ»), а также регулятор DANFOS фирма «DANFOS», Германия). Эти регуляторы имеют много сервисных функций, но при этом в них реализуется простой метод регулирования, а именно классический ПИ-закон или просто П-закон. Работоспособность и устойчивость GAP с этими регуляторами достигается уменьшением контурного коэффициента передачи за счет увеличения времени установления переходного процесса системы автоматического регулирования.

Актуальность темы диссертации обусловлена все возрастающей потребностью в разработке эффективных адаптивных методов управления динамическими объектами в АСУТП и локальных GAP; реализованных на однокристальных микропроцессорах или на ПК. Существует два пути удовлетворения этой потребности:

• создание сложных моделей регуляторов на базе имеющихся блоков в АСУТП. Эта проблема активно обсуждается в научных изданиях, посвященных АСУТП. В [7] представлены результаты исследования одной из таких моделей адаптивного регулятора.

• создание готовых FBD-модулей. В этом случае разработчик создает подпрограмму регулятора и включает ее в базовый набор - FBD-модулей АСУТП.

Первый путь доступен для пользователей SCADA систем, но его можно реализовать в рамках FBD-библиотеки. Второй путь дает свободу выбора языка программирования и включения любых подпрограмм; но доступен только разработчикам регуляторов или SCADA-систем.

Остается актуальной проблема реализации созданных методов регулирования, на основе локальных регуляторов. Примером решения этой проблемы является система SoftLogic, входящая в состав программного обеспечения (ПО) Trace Mode 5. Данное решение направлено на распределенные АСУТП, где регулятор представляет собой микроконтроллер, работающий совместно с терминалом или ПК в качестве устройства ввода, вывода и визуального контроля. Очевидно, такой регулятор не может быть локальным; Существует система Lab View, которая имеет в своем составе оборудование и ПО, что позволяет выполнять исследование САР как на моделях, так и на технологическом ОУ. В обоих случаях требуется использование контроллера совместно с ПК или терминалом, что существенно удорожает САР. Возможно, но неоправданно использовать такие системы для решения следующих задач:

• управления теплопотреблением жилого или производственного помещения;

• регулирования технологических параметров небольших котельных установок;

• управления центральными тепловыми пунктами распределения;

• управления удаленными нефтеперекачивающими станциями. Учитывая отмеченное выше, можно подчеркнуть две существующие проблемы в создании САР на основе однокристальных контроллеров:

4. потребность в развитии концепции автоматизированного проектирования локальных САР;

5. создание эффективных методов регулирования, удовлетворяющих предъявляемым к ним требованиям и реализующие имеющиеся возможности современных однокристальных контроллеров.

Цель диссертации заключается в следующем:

Создание АКИАР и совместимого с ним промышленного регулятора, которые позволяют повысить эффективность разработки и модернизации; САР путем совершенствования методов автоматизированного проектирования и реализации локальных САР, базирующихся на современных возможностях вычислительной техники и учитывающих ограничения, которые связанны с применением однокристальных контроллеров.

Задачи исследования: Для реализации указанной выше цели; в диссертации сформулированы и решены следующие исследовательские задачи:

• исследования известных адаптивных методов регулирования для теплоэнергетических объектов и их реализация в виде функциональных модулей и прикладных программ;

• создания и исследования новых методов адаптивного управления на базе целочисленной арифметики;

• разработки и реализации новых подходов к созданию адаптивных САР, а именно: создание технологии реализации исследуемых методов регулирования на основе однокристальных контроллеров, в которой предложена и внедрена концепция использования скриптпроцессора\

• создания и внедрения промышленного регулятора с применением технологии, которая реализована в АКИАР.

Для решения поставленных научных задач создан АКИАР, базирующийся на современных средствах вычислительной техники и содержащий полный функциональный набор, необходимый для проектирования и моделирования адаптивных регуляторов теплоэнергетических процессов. При создании АКИАР решены следующие технические задачи:

• разработки аппаратной части интерфейса связи персонального компьютера с объектом управления или реальным образцом регулятора;

• создания драйвера для управления периферийным оборудованием;

• создания объектно-ориентированной программы-оболочки АКИАР, которая реализует эффективный диалог пользователя с компьютером;

• разработки программ для анализа результатов экспериментов и параметров качества регулирования;

• построения программ, реализующих различные методы регулирования;

• создания лабораторного комплекса для автоматизации систем научных исследований методов автоматического регулирования на базе АКИАР, который позволяет эффективно проектировать и исследовать модели регуляторов, а также выполнять эксперименты на действующем объекте управления.

Методы исследования:

В работе использовались методы математического анализа, теории обыкновенных дифференциальных уравнений, преобразований Фурье и

Лапласа, теории вероятностей и математической статистики, а; также методов оптимального [27, 31] и адаптивного управления [52] и методов математического моделирования, опирающихся на теорию дискретных систем автоматического регулирования [20]. Выполнение экспериментов по исследованию реализованных методов регулирования на разработанном в диссертации ■ АКИАР. Изучение справочных данных о микроконтроллерах, а также другой информации о производственных технологических процессах. Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Концепция, структура, функциональная схема и программное обеспечение АКИАР, являющиеся средствами программного и технического обеспечения, повышающее эффективность разработки и реализации САР:

2. Методика применения АКИАР в решении задач проектирования и исследования адаптивных регуляторов теплоэнергетических процессов.

3. Методики проектирования адаптивных регуляторов,, базирующиеся на использовании эталонной модели регулируемого теплоэнергетического процесса и USWO-регулятора.

Научная новизна результатов работы заключается в том, что впервые:

• предложена технология реализации методов регулирования, которая основана на использовании виртуального скриптпроцессора. Предложенная технология позволяет автоматизировать этапы проектирования, связанные с созданием образцов регуляторов, созданных на основе исследуемого метода регулирования.

• предложен и реализован метод адаптивного управления на основе настраиваемой эталонной модели САР.

• предложена универсальная модель динамического ОУ, позволяющая определять астатизм ОУ, порядок передаточной функции, описывающей объект, и ее параметры.

• предложен и реализован метод адаптации параметров регулирования USWO-регулятора с вспомогательной моделью.

Практическая ценность. Использование АКИАР в автоматизированном проектировании регуляторов позволяет эффективно создавать модели САР, строить характеристики ОУ в процессе их работы и создавать их математические модели регулятора. АКИАР является эффективным инструментом проектировщика для создания САР различной степени сложности.

Комплекс удобен для применения как в решении исследовательских задачах, так и в процессе обучения студентов предметам: автоматика, автоматизированные системы управления, адаптивные системы регулирования и т. д.

С помощью АКИАР реализуется подход к созданию микропроцессорных регуляторов на основе целочисленной арифметики, что позволяет существенно сократить требования к объему памяти и быстродействию используемого микроконтроллера.

Реализация результатов

• Создано аппаратное и программное обеспечение АКИАР, позволяющее выполнять научные исследования методов регулирования.

• Реализован нелинейный USWO-метод регулирования температуры в термокамерах со значительным временем транспортного запаздывания ОУ.

• Организовано серийное производство регулятора для систем отопления жилых и производственных помещений на базе адаптивного регулятора USWO-типа. К настоящему времени изготовлено и установлено на объектах более 50 регуляторов.

• На основе регуляторов РТ-22а и ВЭСТ-01.2 создана система постадаптации, предназначенная для поддержки проведения научных экспериментов на реальных объектах управления.

Сущность излагаемых в работе результатов состоит:

- в создании алгоритмов регулирования, использующих возможности и особенности однокристальных микропроцессоров;

- в создании программ, реализующих методы регулирования, используя возможности АСУТП и языки Техно-FBD и Техно-IL, входящих в системы проектирования АСУТП;

- в исследование переходных процессов САР, построенных на базе этих моделей.

Публикации. По материалам, представленным в диссертации, опубликовано 11 статей, а также сделано 6 докладов на областных, российских и международных научных конференциях.

На защиту выносятся следующие положения:

• автоматизированный комплекс исследований автоматических регуляторов, включающий устройства сопряжения с датчиками и исполнительными устройствами, а также программное обеспечение комплекса;

• новые методы проектирования автоматических регуляторов на основе АКИАР, повышающие эффективность разработки и модернизации локальных АСУ;

• адаптивные и неадаптивные методы регулирования, полученные путем исследования алгоритмов регулирования;

• использование методов постадаптации для целей проектирования адаптивных регуляторов;

• использование системы диспетчеризации регуляторов, находящихся, непосредственно в технологическом процессе, для реализации автоматизированной постадаптации, а также для получения данных о параметрах и переходных процессах.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и содержит 151 страницу основного текста, 73 рисунка и 22 таблицы.

Заключение

В процессе работы над диссертацией исследованы различные методы автоматического регулирования, а также адаптивные методы регулирования. Основное внимание уделялось динамическим системам управления технологических процессов, в которых возможно использовать однокристальные, дешевые ЭВМ.

При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты

1. Предложена концепция использования виртуального скриптпроцессора, реализованного на базе ПК и на базе однокристального микроконтроллера для целей моделирования. Полученный метод автоматизированного проектирования реализован в АКИАР, что позволило; повысить эффективность разработки регуляторов.

2. Исследованы переходные процессы известных законов регулирования таких как: ПИД-регулятор и USWO-регулятор. Предложены, реализованы и исследованы модифицированные методы регулирования:: USWO-регулятор с предупреждением запаздывания, с переменной структурой, с эталонной моделью, а также ПИД-регулятор с оптимальной настраиваемой моделью.

В процессе моделирования найдены удачные методы регулирования. Например, USWO-регулятор с предупреждением транспортного запаздывания. Несмотря на плохую - устойчивость к шумовым воздействиям на ОУ, регулятор удобно использовать для ОУ с большим транспортным запаздыванием.

По результатам исследования настроенных регуляторов выбраны два из них для реализации идентификационных методов адаптации. Первый -регулятор на основе ПИ-закона регулирования, второй - USWO-регулятор с нелинейной моделью основного контура. Эти регуляторы способны работать при повышенном шумовом воздействии на ОУ, а также при использовании датчиков физических величин с малой дискретностью АЦП. Регулятор на базе нелинейной модели основного контура был реализован и запущен в серийное производство на предприятиях ООО «КОНТО» и ООО НПО «ВЭСТ».

Регуляторы РТ-22а и ВЭСТ-01.2 используются для систем управления теплопотреблением жилых и производственных помещений. Имеют ряд дополнительных сервисных функций для сбора, приема и передачи данных, удаленной настройки параметров регулирования. РТ-22а и ВЭСТ-01.2 являются; не только регуляторами с современными возможностями автоматизированной настройки, но и с удобным инструментом для» проведения исследований процессов адаптации. Регулятор ВЭСТ-01.2 стал основой для исследований процессов автоматического регулирования. На базе регулятора ВЭСТ-01.2 исследованы процессы постадаптации по переходному процессу, описанные в разделе 3.7.

Проведены исследования; на различных действующих динамических объектах управления и подтверждены актами внедрения (приложение 2). Так, например, регулятор РТ-22а испытан в течение отопительного сезона-на более чем 30 объектах управления теплопотреблением жилых и производственных помещений. Результаты статистики теплопотребления зданий до внедрения системы регулирования и после внедрения подтвердили факт снижения теплопотребления в среднем на 30%. В денежном представлении^ экономия на теплопотреблении жилого 80 квартирного дома составляет 20 тыс. руб. в месяц зимнего периода. Если пересчитать, экономию от внедрения регулятора на 30 объектах в течение отопительного сезона, то она составит более трех миллионов рублей.

Регулятор РТ22а и ВЭСТ-01.2 испытан в системе регулирования температуры горячего водоснабжения. Данный объект характеризуется наличием большого уровня шумового воздействия на систему регулирования. Регуляторы установлены более чем на 5 таких объектах и удовлетворяют техническим требованиям к системам регулирования температуры.

Регулятор испытан на объекте управления с большим временем транспортного запаздывания. Таким объектом является система управления теплопотреблением «Областного сельскохозяйственного торгового дома» ОГУП г. Томск. Время транспортного запаздывания составляло более 30 минут. В таких условиях невозможно было добиться устойчивости системы управления при использовании промышленного регулятора АРТ-01. После замены регулятором РТ22а, систему удалось настроить. Также была исследована работа регулятора РТ22а в системе вентиляции зданий. Система признана работоспособной.

Структура программного обеспечения регулятора ВЭСТ-01.2 стала основой модернизации АКИАР. Таким образом, появилась новая версия АКИАР. Комплекс представляет собой визуальную систему разработки автоматических регуляторов на базе целочисленной арифметики. В качестве аппаратного обеспечения АКИАР используется тот же регулятор ВЭСТ-01.2 совместно с персональным компьютером. Такая система может стать основой для выполнения лабораторных и научно исследовательских работ в рамках учебного процесса.

Работы, выполненные в рамках данной диссертации, имеют перспективы дальнейшего развития, например следующие.

• Исследования переходных процессов реальных технологических ОУ.

• Разработка регуляторов давления, уровня воды в котлах, влажности и других физических величин, а также получение переходных процессов для исследования.

• Лабораторный комплекс для исследований процессов адаптации в замкнутых системах автоматического регулирования.

Разработанное программное обеспечение зарегистрировано в реестре программ Российской федерации, получено свидетельство о: регистрации. Разработка и внедрение регулятора, а также программа диспетчеризации и управления системами! теплопотребления отмечены дипломом конкурса «Сибирские афины». Программа диспетчеризации и управления системами теплопотребления отмечена золотой медалью отборочного этапа межрегионального конкурса «Лучшие товары и услуги СИБИРИ - ГЕММА 2003» по Томской области (приложение 2).

Предложенная структура регулятора ВЭСТ-01.2. может стать основой универсального подхода к проектированию систем управления технологическим процессами. Имеется пакет программ, созданный по заказу НПО «ВЭСТ», который позволяет быстро и эффективно проектировать различные системы регулирования на базе регулятора ВЭСТ-01.2

1.Д., Герасимов А.Н., Забродин С.П. и др.; Под ред. Топчеева Ю.В. -М.: Машиностроение, 1982.-312 с.

2. Turbo-Vision для языка Pascal. М.: И.В.К.-Софт, 1992. - 224 с.

3. Turbo-Vision 2.0 Основы практического использования/ Епанешников А., Епанешников В. М.: Диалог-МИФИ, 1995. -240 с.

4. Исследование характеристик статистических регуляторов с изодромной обратной связью и различных инженерных методов их настройки примененительно к инерционным теплотехническим объектам: Автореф. дисс. к.т.н./ Аветисян Д.- Киев, 1966.

5. Оптимальные и адаптивные системы: Учебное пособие для вузов/ Александров А. Г. М.: Высшая школа, 1989. - 264 с.

6. Автоматизированное проектирование систем автоматического управления/ Алексанкин Я.Я., Бржозовский А.Э. и др.; Под ред. Солодовникова В.В. М.: Машиностроение, 1990. — 332 с.

7. Интегрированная SCADA и Sftlogic сисетма TRACE MODE 5 в 2002 году. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика/ Анзимиров JI.B: 2002;

8. USWO новый способ формирования управления для замкнутых систем автоматического регулирования/ Бажанов В.- СТА, 1998.

9. Применение ЭВМ для анализа и синтеза автоматических систем управления/ Белова Д.А. М.: Энергия, 1979. - 264 е.:

10. Теория систем автоматического регулирования/ Бесекерский В.А., Попов Е.П. М.: Наука, 1975. — 767 с.

11. Адаптивные модели в системах управления техническими объектами: Учебное пособие для вузов Харьковского института радиоэлектроники/ Бодянский Е.В. Киев: УМК ВО, 1988. -212 с.

12. Теория матриц/ Гантмахер Ф.Р. М.: Наука, 1967. - 575с.

13. Методы идентификации систем/ Гроп Д. М., 1979. - 304с.

14. Прикладная теория дискретных автоматических систем управления/ Деревитский Д.П. М.: Наука, 1981. - 216 с.

15. Справочник по операционному исчислению/ Диткин В.А., Прудников А.П. М.: Наука, 1965.-466 с.

16. Самонастраивающаяся система с поиском градиента методом вспомогательного оператора/ Евланов JI.F. Известия АН СССР. Техническая кибернетика, 1963.

17. Импульсные устройства промышленных регуляторов/ Емельянов А.И. М.: Машиностроение, 1975. - 172 с.

18. Системы автоматического управления с переменной структурой/ Емельянов С.В. М.: Наука, 1967. - 336 с.

19. Система премирования средств автоматизации/ Емельянов С.В., Костылева Н.Е. и др. М.: Наука, 1978. — 190 с.

20. Основы автоматики и систем автоматизированного управления с применением ЭВС: Учебное пособие/Зайцев А. П. Томск: ТМЦЦОТУСУР.

21. Теория дискретных систем автоматического управления: Учебное пособие для вузов/ Иванов В. А. М.: Наука. Физматлит, 1983. - 336 с.

22. Теоретические основы автоматического управления тепловыми процессами: Учебн. Пособие/ Иванов Ю.П. Л.:СЗПИ, 1982. -80 с.

23. Цифровые системы управления/ Изерман Р.; Пер. с англ. Забродин С. П., Титков А. И., Шалашов А. В.; Под ред. Макаров И. М. М.: Мир, 1984. - 544 с.

24. Программирование в среде Turbo-Pascal 6.0/ Климов Ю.С. и др. Минск: Выш. шк., 1992. - 158 с.

25. Двухпозиционные автоматические регуляторы и их настройка/ Клюев А.С. М.: Энергия, 1967. - 302 с.

26. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие/ Клюев А.С., Лебедев А.Т., Клюев С.А.; Под ред. Клюева А.С. М.: Энергоатомиздат, 1989.-386 с.

27. Основы теории управления: Учебное пособие для вузов/ Кориков А. М. Томск: Издательство научно-технической литературы, 2002. - 391 с.

28. Универсальные алгоритмы оптимального управления непрерывными процессами/ Красовский А.А., Буков В.Н., Шендрик B.C. М.: Наука, 1977. - 271 с.

29. Алгоритмы и программы проектирования автоматических систем/ Крутько П. Д. М.: Радио и связь, 1988. — 304 с.

30. Синтез систем автоматического управления с помощью функций Ляпунова/ Кунцевич В.М., Лычак М.М. М.:Наука, 1977.-400 с.

31. Оптимальные и адаптивные системы: Учеб. пособие./ Куропаткин А.В. М.: Высш. шк., 1980. - 287 с.

32. Рекуррентный алгоритм адаптивного управления дискретным динамическим объектом/ Любачевский Б.Д. Автоматика и телемеханика, 1974.

33. Время-импульсные системы автоматического управления/ Макаров И.М. и др. Л.: Машиностроение, 1991. - 288 с.

34. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами/ Мирошник И.В. СПб.: Наука, 2000.-549 с.

35. Численные методы в теории оптимальных систем/ Моисеев Н.Н. М.: Наука. Физматлит, 1971. - 424 с.

36. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC: Практ. пособие/ Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. М;: ЭКОМ., 1997. - 224 с.

37. Функциональные узлы цифровой автоматики/ Потемкин, И. С.- М.: Энергоатомиздат, 1988. 320 с.

38. Методы синтеза оптимальных систем автоматического управления: Учебник для вузов/ Пупков К.А.; Ред. Егупова Н.Д.- М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000г. 512 с.

39. Автоматизированные комплексы распределенного управления: Учебное пособие/Рождественский Д. А. —Томск: ТМЦДО ТУСУР, 2003.-124 с.

40. Микропроцессорные устройства в системах управления: Учебное пособие вузов ТУСУР/ Рождественский Д. А. Томск: ТМЦДО, 2003.- 130 с.

41. Самоорганизующиеся стохастические системы управления/ Саридис Дж. М.: Наука, 1980. - 400 с.

42. Автоматизированный комплекс исследований замкнутых систем автоматического регулирования: Сборник научных трудов НИИ АМ/ Светлаков А.А Шилин А.А. 2000.

43. Многошаговый алгоритм адаптивного оценивания моделей линейных статических объектов/ Светлаков А.А. Известия АН СССР. Техническая кибер-нетика, 1986.

44. Анализ проблем применения классического и адаптивного подходов к созданию регулятора водогрейного котла ТУ СУР/ Светлаков А.А., Шилин А.А. Томск, 1997. - 17 с.

45. Учебно-лабораторный комплекс для исследования автоматических регуляторов и систем регулирования: Труды конференции "Проблемы учебно-методической и воспитательной работы в школе и ВУЗе»/ Светлаков А.А., Шилин А.А., Томск, ТГПУ, 1999.

46. Автоматизированный комплекс исследований автоматических регуляторов и объектов: Труды IV Международной конференции АПЭП-98/ Светлаков А. А., Шилин А.А. -Новосибирск, 1998.

47. Справочное пособие по ремонту приборов и регуляторов/ Смирнов А.А. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 832 с.

48. Расчет и проектирование аналитических самонастраивающихся систем с эталонными моделями/ Солодовников В.В., Шрамко Л.С. М.: Наука, 1972. - 270 с.

49. Расчет и проектирование аналитических самонастраивающихся систем с эталонными моделями/ Солодовников В.В., Шрамко Л.С. М.: Машиностроение, 1972. — 270 с.

50. Теория адаптивного управления/ Срагович В.Г. М.: Наука, 1976. -319 с.

51. Идентификация объектов в адаптивных автоматических системах/ Терехов В.А., Янчевский А.Э. Л., 1979. - 102 с.

52. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования: Учеб. пособие для втузов/ Топчеев Ю.И. — М.: Машиностроение, 1989. — 752 с.

53. Турбо Паскаль (в 3-х книгах).Книга 1.Основы Турбо Паскаля/ Фаронов В.В. М.: Учебно-инженерный центр "МВТУ-ФЕСТО ДИДАКТИК", 1992. -304 с.

54. Системы управления с обратной связью/ Филлипс Ч.; Пер. с англ. Б. И. Копылов. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. — 616 с.:

55. Адаптивное управление динамическими объектами/

56. Фомин В.Н., Фрадков А.Л., Якубович В.А. М.: Наука, 1981. — 448 с.

57. Информационная теория идентификации/ Цыпкин Я.З. — М.: Наука: Физматлит, 1995. 336с.

58. Основы теории автоматических систем: учебное пособие/ Цыпкин Я.З. М.: Наука, 1977. - 559с.

59. Теория нелинейных импульсных систем/ Цыпкин Я.З., Попков Ю.С. М.: Наука, 1973. - 414с.

60. Теория линейных импульсных систем/ Я.З.Цыпкин М.: Физматгиз, 1963. - 968с.

61. Адаптивность регулятора на основе USWO-алгоритма: Пятая областная научно-практическая конференция студентов аспирантов и молодых ученых "СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ". Сб. статей/ Шилин А.А , Томск: Изд-во ТПУ, 1999.

62. Программный интерфейс управления автоматизированным комплексом исследований автоматических регуляторов: Сборник научных трудов НИИ AM 2000г./ Шилин А.А, Светлаков А.А.

63. Адаптивный нелинейный регулятор с эталонной моделью: Доклады Томского университета систем управления и радиоэлектроники. Том 8. Автоматизированные системы обработки информации и управления. Сборник научных трудов/ Шилин А.А. Томск: ТУ СУР. 2004г.

64. Адаптивный ПИ-регулятор с настраиваемой оптимальной моделью системы автоматического регулирования/ Шилин А.А. Деп. в ВИНИТИ №3365-В98, 1998. - 9с.

65. Анализ стационарности коэффициентов уравнения описывающего объект при конструировании адаптивного управления динамическим объектом: Вторая региональная научно-техническая конференция 35 летия ТУСУР 1997г./ Шилин А.А. ТОМСК, ТУСУР.

66. Оптимизация оператора связи в задаче адаптивного управления: Научно практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых 21-23 декабря 1998/ Шилин А.А. Томск, ТГПУ.

67. Оптимизация параметров ШИМ в адаптивных системах с эталонной моделью/ Шилин А.А. ТУСУР

68. Расширение класса адаптации ПИ регулятора при использовании настраиваемой эталонной модели: сб. статей 4-международной конференции СИБКОНВЕРС-99/ Шилин А.А. -Томск: ТУСУР.