автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методическое и программное обеспечение для имитационного моделирования систем регулирования технологических процессов с нелинейными элементами

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

БОЧКАРЁВА ЕЛЕНА ЮРЬЕВНА

МЕТОДИЧЕСКОЕ И 1 пЮГг АммНОь ОьылшЧЬНИЕ ДЛЯ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С НЕЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в энергетике)»

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доц. Сабанин В.Р.

Москва 2011

о 3 [Г.? 2311

4839802

Работа выполнена на кафедре Автоматизированных систем управления тепловыми процессами Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель: кандидат технических наук

доцент Сабанин Владимир Романович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Тверской Юрий Семенович

кандидат технических наук

Т\"*тттт»тхтт Т/лтгп'гптттччт Л

ипд^ иоп"!

Ведущая организация: ООО «Энергоавтоматика»

Защита диссертации состоится «10» марта 2011 г. в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.14 при Московском энергетическом институте (Техническом Университете) по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, ауд. Б-205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат диссертации (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 11250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « -I » февраля 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.14 к.т.н., доцент

Зверьков В.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важнейших задач в энергетике является минимизация затрат на разработку, внедрение, эксплуатацию и последующую модернизацию систем управления технологическими процессами.

При создании и исследовании сложных систем широкое применение находят методы имитационного моделирования, которые позволяют учитывать особенности реальных систем управления технологическими процессами. Известны программные пакеты, предлагающие универсальные инструменты для решения задач моделирования динамических процессов независимо от области их применения, а также специализированное программное обеспечение. К сожалению, стоимость подобных пакетов, как правило, высока. Применимость пакетов как общего назначения, так и специализированных, ограничена библиотекой стандартных элементов, расширить которую можно только посредством написания программы в стандартном текстовом редакторе (С++, Fortran и другие), что требует определенных навыков и не всегда удобно, либо в принципе невозможно.

Все это делает актуальным разработку пакета имитационного моделирования с применением открытой технологии построения моделей. Перечисленные выше особенности дают представление о том, какими характеристиками должен обладать инструмент для имитационного моделирования нелинейных систем автоматического регулирования:

• прозрачность структуры структурных элементов (блоков, модулей), используемых для построения системы;

• возможность модификации любого структурного элемента в соответствии с j требованиями конкретной модели; t

• в качестве инструмента создания должна быть использована распростра-

ненная открытая вычислительная среда, достаточно простая для применения ши

роким кругом пользователей и содержащая графический редактор;

Указанным требованиям во многом отвечает популярный математический пакет МаЛСАО (фирма Ма&Бой), который является простым и мощным инструментом программирования. При этом МаЛСАБ позволяет потенциально решать любые задачи по моделированию динамических систем, состоящих из любых элементов, математическое описание которых известно.

Целью работы является разработка методического и программного обеспечения на базе математического пакета МаЛСАБ для имитационного моделирования систем регулирования технологических процессов с нелинейными элементами, в том числе, - с исполнительными механизмами постоянной скорости.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Разработка математического и программного обеспечения имитационного моделирования линейных и нелинейных динамических элементов, используемых в задачах синтеза и анализа АСР.

2. Создание методического обеспечения для разработки и применения имитационных моделей систем регулирования технологических процессов.

3. Анализ применимости разработанного программного обеспечения для создания имитационной модели АСР с промышленными техническими средствами и оптимизации динамики.

4. Исследование влияния параметров регуляторов с нелинейными элементами и исполнительным механизмом постоянной скорости на качество работы систем регулирования.

5. Разработка рекомендаций по настройке систем регулирования с широтно-импульсным модулятором (ШИМ) и исполнительным механизмом постоянной скорости.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработано математическое и программное обеспечение в среде МаЛСАО для имитационного моделирования линейных и нелинейных динамических элементов, используемых в задачах синтеза и анализа АСР.

2. Предложена методика для разработки имитационных моделей систем регулирования технологических процессов.

3. Получены зависимости для основных параметров ШИМ при работе регулятора с исполнительным механизмом постоянной скорости. Предложен алгоритм для корректировки минимальной длительности импульса с целью сокращения частоты включений исполнительного механизма.

4. Показано, что при реализации регулятора с исполнительным механизмом постоянной скорости более предпочтительной является структура с ШИМ по сравнению со структурой на базе позиционера.

Практическая значимость работы:

1. Применение разработанных имитационных моделей линейных и нелинейных динамических элементов позволяет повысить эффективность решения задач синтеза и анализа автоматических систем регулирования сложной структуры на стадии проектирования.

2. Разработанные имитационные модели могут быть использованы в качестве первого приближения на стадии ввода в действие и при наладке промышленных систем регулирования с учетом различных нелинейностей и других реальных факторов.

3. Предложены рекомендации по рациональному выбору и корректировке минимальной длительности импульса регулятора с импульсным выходом, позволяющие сократить частоту включений исполнительного механизма в 1,5 — 2 раза.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается:

1. Применением при разработке современных методов математического моделирования и математических методов оптимизации.

2. Экспериментальным исследованием на стенде с физической моделью объекта управления и промышленным микропроцессорным регулятором. Сравнением экспериментальных данных с результатами имитационного моделирования.

Личный вклад автора: разработано методическое и программное обеспечение для имитационного моделирования систем регулирования с нелинейными элементами, в том числе, - с исполнительными механизмами постоянной скорости, управляемыми с помощью ШИМ; получены соотношения для основных параметров, характеризующих работу систем регулирования с ШИМ; даны практические рекомендации по корректировке минимальной длительности импульса для действующей системы.

Апробация работы. Материалы, основные разделы и положения диссертации докладывались и обсуждались на XIX и XIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в марте 2006 года, на XX Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» в 2007 году, на Третьей Всероссийской научно-практической конференции «Имитационное моделирование. Теория и практика» в 2007 году, на международной научной конференции Control в 2008 году.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, среди которых 2 статьи в изданиях, рецензируемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка использованной литературы, включающего 94 наименования, содержит 145 страниц печатного текста, 38 рисунков, 25 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведено краткое содержание ее глав.

В первой главе рассмотрены особенности имитационного моделирования, показана его применимость для решения задач синтеза и анализа систем регулирования с нелинейными элементами. Описаны наиболее популярные су-

ществующие программные пакеты для имитационного моделирования, сформулированы требования к оптимальной среде для имитационного моделирования автоматических систем регулирования (АСР) с нелинейными элементами, обоснован выбор программного пакета \lathCAD для решения поставленных задач и рассмотрены структуры типовых регуляторов, применяемых на практике. Показано, что в настоящее время в существующих публикациях недостаточно освещен вопрос по выбору параметров широтно-импульсного модулятора при работе с ИМ постоянной скорости с учетом эксплуатационных требований. В частности, это относится к задаче минимизации частоты включений ИМ, отсутствия автоколебательных режимов и др.

На основании выполненного обзора источников информации формулируется цель работы и задачи, которые необходимо решить для ее достижения.

Во второй главе получено математическое обеспечение имитационного моделирования линейных и нелинейных динамических звеньев, применяемых при синтезе и анализе АСР технологических процессов, в виде рекуррентных выражений.

Программное обеспечение имитационного моделирования линейных и нелинейных динамических звеньев представлено в виде программных модулей, реализованных в среде МаШСАО.

В качестве примера ниже приведена имитационная модель широтно-импульсного модулятора (ШИМ). Широтно-импульсный модулятор является одним из основных элементов современных контроллеров, работающих в комплекте с ИМ постоянной скорости. Структурная схема ШИМ, применяемого в промышленных контроллерах серии Ремиконт, Протар и др., показана на рис. 1.

_щим|

Рис. 1. Структурная схема ШИМ Сум - сумматор; Инт - интегратор; РЭ - трехпозиционный релейный элемент с гистерезисом

Рекуррентные выражения для входящих в схему ШИМ сумматора (1). интегратора (2) и трехпозиционного реле (3) имеет следующий вид:

1

У ют« = Уш-п + Уем ¡Ydu (2)

Ум=Л if Уи«т»>а;

УсУМ JH ^J* 1 У J* 1' 0)

if Лят>, <алУиит^ >0, if <

У»= 0 if У инт J ¿Ъ, yJt, =y'j Otherwise;

ylt,= 0 if y„HTJ> 0, > О)

yJtI = у; otherwise,

где х^ - входной сигнал ШИМ, - выходной сигнал трехпозиционного реле (выход ШИМ), А - уровень выходного сигнала реле, а - зона возврата (а = А-1и,

где tи - минимальная длительность импульса ШИМ), у

ИНТ у+1

выход

интегратора ШИМ, То - постоянная времени интегратора ШИМ, ycyuj^ - выход сумматора ШИМ.

Результат решения по выражениям (1) - (3) при гармоническом входном сигнале xlj с амплитудой Am показан на рис.2:

Тр

dt> 0.001 Тр =60 ¡5=1..— 1i := j ■ dt ^ dt ' 1 Ann := 1J и := 0 15

ti := 0.2

x1 jAm • sin(j ■ a ■ dt) y1 := Shim(ti)

у»)

ХОДИ 1 ..........

! ¿К I ш 1Г

Рис. 2. Реакция ШИМ на гармоническое воздействие

-----вход звена;--выход звена

Программные модули протестированы при ступенчатых и гармонических входных сигналах. Полученные результаты представлены в диссертационной работе в виде таблиц.

В третьей главе предложена методика построения имитационной модели АСР и ее элементов в виде следующих этапов:

1. Содержательное описание и структуризация объекта моделирования.

1.1. Изучение и выделение главных и второстепенных свойств объекта.

1.2. Расположение их в определенной последовательности.

1.3. Определение взаимосвязей и их характеристик для свойств объекта.

2. Формирование предварительной структуры объекта, целей и критериев их достижения. Постановка задачи имитационного моделирования.

2.1. Представление динамической системы в виде структурной схемы соединения элементарных звеньев и нелинейных элементов с. использованием всех данных, полученных на первом этапе

2.2. Постановка цели исследования объекта.

2.3. Определение критерия (показателя) достижения цели.

3. Построение структуры имитационной модели, нахождение и выделение точек измерения целевых функций (показателей) и подготовка исходных данных.

3.1. Выбор основных черт и свойств, которые следует учесть при исследовании в соответствии с поставленной целью.

3.2. Построение имитационной модели объекта с использованием библиотеки типовых блоков линейных и нелинейных элементов.

3.3. В зависимости от поставленной задачи:

• расчет переходных процессов в замкнутых или разомкнутых АСР при одновременной или раздельной подаче различной формы возмущений на входы регуляторов, а также по каналу регулирования,

• с использованием численного эволюционного алгоритма оптимизация настроечных параметров регуляторов по выбранному критерию оптимизации с ограничениями на оптимизируемые перемененные,

• анализ качества регулирования по выбранному показателю,

• перенастройка модели динамической системы регулирования на другие аналогичные объекты.

4. Отладка и корректировка модели.

5. Проведение имитационных экспериментов, анализ результатов и выбор наилучшей схемы функционирования объекта по имитационной модели.

6. Внедрение полученных результатов в практику деятельности объекта.

При необходимости на определенных этапах осуществляется возвращение к уже пройденным этапам с целью корректировки модели, уточнения параметров вплоть до изменения постановки задачи.

Использование имитационных моделей при проектировании и настройке АСР позволяет выбрать на стадии проектирования структуру АСР и рассчитать значения параметры ее элементов; выбрать закон регулирования, настройку и оптимизацию настроечных параметров регулятор; позволяет использовать методы как одноэкстремальной так и многоэкстремалой оптимизации.

С целью оценки применимости разработанного программного обеспечения для моделирования работы реальной АСР с промышленными техническими средствами построена имитационная модель на основе стенда лаборатории АСУ ТП с использованием контроллера Протар и исполнительного механизма МЭО. Произведена серия тестов работы АСР и ее модели с построением графиков процессов регулирования. На графиках сплошной линией построены процессы для имитационной модели АСР, а

пунктирной линией - для реальной АСР (рис. 3). Полученные результаты подтверждают возможность применения имитационной модели для исследования работы реальной системы.

Проведены исследования работы регуляторов с импульсным выходом и ИМ постоянной скорости. Для реализации типовых линейных законов регулирования в этом случае обычно используется импульсный сигнал управления, который формируется с помощью специальных регулирующих блоков, содержащих широтно-импульсный модулятор (ШИМ).

Построена модель двухконтурной системы регулирования, которая обычно применяется в системах регулирования паровым котлом. В этой схеме учитываются особенности реальной системы (исполнительный механизм постоянной скорости, люфт и др.). На ее примере показано, что использование имитационного моделирования позволяет выбрать на стадии проектирования структуру АСР и произвести оптимизацию параметров настройки регулятора.

В работе рассмотрены применение имитационных моделей в задачах оптимизации. Показано достоинство применения модифицированного генетического алгоритма, в котором применяется процедура регулярного поиска локальных экстремумов с использованием метода деформируемого многогранника.

В четвертой главе исследовано влияние некоторых нелинейных элементов и эксплуатационных факторов на качество переходных процессов в системе

уЫ

уЬ)

РКС. 3. ГуафйКй лрОЦсССОь рсх улярОВаШгл

п.

с цифровым регулятором, а именно: зоны нечувствительности, входного фильтра, люфта и выбега ИМ.

Ниже приведены графики, на которых показано влияние этих факторов на качество работы системы регулирования. На рис. 4-а построены графики процессов регулирования для выходной величины объекта, на рис. 4-6 - для сигнала положения исполнительного механизма (для системы с нелинейными элементами) и на выходе интегратора (для линейной системы). Пунктирной линией построены графики для линейной системы, а сплошной линией - для системы с нелинейными элементами. В качестве параметров регулятора системы с нелинейными элементами приняты параметры настройки, рассчитанные для линейной системы.

Рис. 4. Процессы регулирования для линейной системы и системы с исполнительным механизмом и с нелинейностями Результаты имитационного моделирования АСР с исполнительного механизма постоянной скорости и нелинейностями, связанными с ним (выбег выходного вала исполнительного механизма, люфт) позволяют оценить насколько рассмотренные факторы могут ухудшить качество работы реальной системы регулирования и дать рекомендации по корректировке параметров с целью обеспечения нормальной работы.

В четвертой главе также рассмотрена автоматическая система регулирования с широтно-импульсным модулятором, применяемым при работе с исполнительными механизмами постоянной скорости.

В современных микропроцессорных контроллерах с исполнительными механизмами постоянной скорости реализация линейных законов регулирования (в пределах ПИ алгоритма) осуществляется обычно с помощью программных блоков формирования закона регулирования в комплекте с широтно-импульсным модулятором (ШИМ). При этом ПИ закон регулирования осуществляется благодаря преобразованию сигнала по ПД (пропорционально -дифференциальному) алгоритму совместно с ШИМ и исполнительным механизмом постоянной скорости, который выполняет функции линейного интегрирующего звена по отношению к выходному сигналу ШИМ.

Рис. 5. Структурная схема формирования ПИ-закона регулирования: ПД - преобразователь; ИМ - исполнительный механизм; РБ - регулирующий блок; - регулирующее воздействие на объект (положение выходного органа исполнительного механизма, %).

Параметром настройки ШИМ является минимальная длительность

импульса -«ин, а выходным параметром - скважность (коэффициент заполнения импульсного сигнала) 1, который изменяется в пределах от 0 до 1. При этом средняя скорость перемещения регулирующего органа пропорциональна значению У и изменяется в пределах от 0 до номинальной скорости исполнительного механизма ^. Величина определяется по времени полного хода исполнительного механизма (в секундах) от 0 до 100% по указателю положения: =т/тии > (%)/с.

А

-Д.

У пит "

Л.

-Л

иг V.

И!, иифи,,,,,, ' ш 1 1 ( и г » 1 1 1 » Щ ■

^ '„ г '„ 1

а)

б)

Рис. 6: Характеристики релейного элемента (а) и процесс формирования

сигнала ШИМ (б)

Особенностью рассмотренного ШИМ является то, что в процессе работы все параметры процесса изменяются (рис. 7), в том числе период следования импульсов +гл). В частности, при у = 0,5 длительность импульса равна длительности паузы tп, а величина (/„ +/„) имеет минимум, равный и д.? ) =4-/

\'И ' 'п/шн ^ 1И_МИН

Получены выражения для длительности импульса ш, длительности паузы /я, коэффициента заполнения импульсного сигнала (скважности) у (4), а также их соотношения: относительного изменения длительности импульсов (5) и периода их следования (6)

у = -

Б

А'

(4)

1-У'

(5)

-(1-у)

■ (6)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 у

а)

Рис. 7. Графики относительного изменения длительности импульсов и периода

их следования

В работе предлагается способ корректировки параметра минимальной длительности импульса шн с целью сокращения количества включений исполнительного механизма в зависимости от текущих значений параметров.

Алгоритм предлагаемой корректировки /„ мш заключается в следующем. При небольших значениях скважности у<уш,, значение /„ шш не изменяем для обеспечения точности регулирования, а при больших значениях скважности у > у„АЧ значение ¡и шн увеличиваем. Зависимость, по которой предлагается изменять /„

•и,мин > приведена на рис. 8. г.

I'"-'/

0,2 0,4 0.6 0,8 1 /е 1

Рис. 8. Зависимость, в соответствии с которой производится корректировка минимальной длительности импульса /и шн Для проверки эффективности предложенного способа корректировки параметра /,, мин выполнена серия расчетов для АСР с ПИ-регулятором. Объект задан в виде передаточной функции:

(4)

'(ГоЧ + 1Нг0.ач + 1)'

где Г, =Т0 и Т2=Т0-а - постоянные времени объекта, та=Т0-{1 - время запаздывания, К0 - коэффициент усиления объекта.

Для модели объекта рассматривалось несколько вариантов,

характеризуемых а и Д заданы следующим образом: а = — = 1,5,10,20;

/3 = — = 0.05,0.10,0.20; К0= 1; Т0 =10. Расчет оптимальных параметров

Т0

регулятора кп, Т.* выполнен из условия минимизации линейного интегрального

критерия о при ограничении на частотный показатель колебательности М = 1,55, что приближенно обеспечивает степень затухания свободных колебаний V = °>9.

В качестве примера на рис. 9 приведен график процесса /х(<) на выходе исполнительного механизма в процессе регулирования. Тонкой линией приведен исходный режим (без корректировки („ шн), а жирной линией - для системы с корректировкой 1И тн. На графике видно, что предложенная корректировка позволяет существенно сократить частоту включений исполнительного механизма.

Рис. 9. Выход исполнительного механизма На основании расчета даны рекомендации по определению условий, когда предложенный способ корректировки позволяет получить максимальный эффект. В частности, при заданных параметрах объекта корректировка

[г<МАХ / ^

/, = умлх в диапазоне от

/ ¿ИМ )

0,35 до 0,80 и позволяет сократить количество включений исполнительного

( С МАХ

механизма в 1,5 - 2 раза. Если величина параметра ггг.

= у'*1" менее 0,35,

им

то корректировка минимальной длительности импульса не дает существенного эффекта.

В случае, когда на первом периоде колебаний процесса регулирования скорость регулирования близка к скорости исполнительного механизма, то эффект от корректировки может проявиться за счет того, что через некоторое

соответствовать условиям, когда корректировка является эффективной.

Предложен способ определения максимальной расчетной скорости регулирования на основе анализа наиболее «тяжелого» участка процесса регулирования сигнала на выходе регулятора процесса /¿(г), так как для решения задачи корректировки необходимо вычисление максимальной расчетной скорости регулирования.

На основе полученных результатов рекомендованы два варианта для решения вопроса о целесообразности введения предложенного алгоритма корректировки параметра ¡и шт при использовании исполнительного механизма постоянной скорости: экспериментальный и расчетный

В данной работе также рассмотрен вариант реализации АСР с исполнительным механизмом постоянной скорости на базе позиционера. Для этого случая выполнена имитационная модель системы регулирования. Структурная схема системы приведена на рис. 10.

Наличие позиционера в рассматриваемой схеме позволяет сформировать управляющий сигнал к реальному ИМ, учесть ограничение скорости, исключить влияние люфта, выбега, а также автоколебательные процессы.

время скорость регулирования упадет и соотношение

начнет

им

ОБ

РБ

Сум

Сум РЭ

модель ИМ

и +-

ЗН

ПИ

в11

14

позиционер

Рис. 10. Структурная схема системы регулирования с ИМ постоянной скорости

на базе позиционера На графиках толстой линией построены процессы для имитационной модели АСР с ШИМ, а тонкой линией - для АСР с ИМ постоянной скорости на базе позиционера, д-йг

А

№

V/ У

А

1

•ц (о * Я* 3 10 10 <,

Рис. 11. Графики процессов регулирования Из графиков видно, что АСР с ШИМ имеет большую точность регулирования, чем АСР с ИМ постоянной скорости на базе позиционера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в работе, а также выводы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разработаны библиотеки типовых блоков линейных и нелинейных элементов систем регулирования и их исследование, а именно: создано математическое и программное обеспечение имитационного моделирования

линейных и нелинейных динамических элементов в математическом пакете МаЛСАХ). Выполнено тестирование программных модулей.

2. Создано методическое обеспечение для построения имитационных моделей систем регулирования технологических процессов.

3. Произведен анализ применимости разработанного программного обеспечения для создания имитационной модели реальной АСР и ее настройки. Создана имитационная модель для АСР с микропроцессорным регулятором ПРО-ТАР и исполнительным механизмом постоянной скорости с использованием ШИМ. На основе серии экспериментов для различных вариантов параметров настройки показана адекватность разработанной имитационной модели.

4. Рассмотрен пример использования имитационного моделирования для настройки систем регулирования на стадии проектирования, а именно: построена имитационная модель системы регулирования и произведена оптимизация системы регулирования.

5. Произведен анализ качества процессов регулирования нелинейных систем методом имитационного моделирования. Рассмотрено влияние нелинейных элементов на качество переходных процессов в системе с цифровым регулятором.

6. Произведен анализ применения полученной методики для настройки систем регулирования с широтно-импульсным модулятором (ШИМ) и исполнительным механизмом постоянной скорости. Даны рекомендации по корректировки минимальной длительности импульса ШИМ.

Таким образом, поставлена и решена задача разработки методического и программного обеспечения на базе математического пакета МаШСАР для имитационного моделирования систем регулирования технологических процессов с нелинейными элементами, в том числе, - с исполнительными механизмами постоянной скорости.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях и докладах:

г

V"

1. Смирнов Н.И., Сабанин В.Р., Репин А.И., Бочкарева Е.Ю. Настройка трехконтурной системы регулирования температуры пара методом эволюционного моделирования // Теплоэнергетика. 2006 № 10. с. 36-41.

2. Бочкарева Е.Ю., Кузищин В.Ф. Настройка длительности импульсов регуляторов с исполнительным механизмом постоянной скорости // Новое в российской электроэнергетике. 2009. № 9. С. 35-47.

3. Бочкарева Е.Ю., Сабанин В.Р. Влияние нелинейных элементов на качество переходных процессов в системе с цифровым регулятором // XX Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях»: Тез. докл. — -Ярославль: Изд-во ЯГТУ., 2007 г. Т.7 — С. 200-204.

4. Бочкарева Е.Ю., Сабанин В.Р., Фейгина А.Н. Имитационное моделирование в задачах анализа и синтеза автоматических систем регулирования // Теория и практика построения и функционирования АСУ ТП: Труды Международ, науч. конф. «Согйго1-2008». - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - С.55-60.

5. Бочкарева Е.Ю., Фейгина А.Н., Сабанин В.Р., Смирнов Н.И. Имитационное моделирование и оптимизация нелинейных систем управления // Теория и практика построения и функционирования АСУ ТП: Труды Международ, науч. конф. «Соп1го1-2008». - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. -С.61-65.

Подписано в печать 01.07*. ///'- Зак. Л / т Ш Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная уп.,д.13

Введение

1. Предмет исследования и обзор работ по математическому обеспечению задач синтеза и анализа систем регулирования

1.1. Общее состояние вопроса в области имитационного моделирования промышленных автоматических систем регулирования

1.1.1. Применение методов имитационного моделирования для решения задач автоматического регулирования

1.1.2. Программные средства построения имитационных моделей автоматических систем регулирования

1.2. Типовые структуры применяемых на практике регуляторов

1.2.1. Типы соединения отдельных составляющих ПИД-закона регулирования

1.2.2. Виды управляющего сигнала

1.2.3. Способ управления исполнительным механизмом постоянной скорости

1.2.4. Особенности реальных регуляторов

1.3. Цель и постановка задачи

2. Разработка библиотеки типовых блоков линейных и нелинейных элементов систем регулирования и их исследование

2.1. Математическое обеспечение имитационного моделирования линейных и нелинейных динамических элементов

2.2. Программное обеспечение для имитационного моделирования линейных и нелинейных динамических элементов 5 \

2.3. Результаты тестирования программных модулей, имитирующих работу линейных и нелинейных динамических элементов

2.4 Выводы по главе

3. Построение имитационных моделей систем регулирования. Решение задач оптимизации при синтезе и анализе имитационных моделей

3.1. Методическое обеспечение исследований

3.2. Цели и задачи оптимизации при исследовании имитационных моделей

3.3. Существующие алгоритмы для оптимизации имитационных моделей и проблемы их использования

3.3.1. Алгоритмы для статической оптимизации

3.3.2. Алгоритмы для динамической оптимизации

3.4. Показатели качества процесса регулирования для решения задач оптимизации

3.5. Имитационная модель одноконтурной системы с микропроцессорным регулятором ПРОТАР

3.6. Пример использования имитационной модели системы с регулятором ПРОТАР для настройки систем регулирования на стадии проектирования

3.6.1. Имитационная модель двухконтурной системы регулирования

3.6.2. Оптимизация двухконтурной системы регулирования

3.7 Выводы по главе

4. Анализ качества процессов регулирования систем с нели-нейностями методом имитационного моделирования

4.1. Влияние нелинейных элементов на качество переходных процессов в системе с цифровым регулятором

4.2. Исследование влияния параметров нелинейных элементов на качество работы системы регулирования, рассмотренной в п. 3.6.

4.3. Рекомендации по настройке автоматических систем регулирования с широтно-импульсным модулятором и ИМ постоянной скорости

4.3.1. Общие сведения о ШИМ, применяемых при работе с исполнительными механизмами постоянной скорости

4.3.2. Корректировка минимальной длительности импульса ШИМ

4.3.3. Оценка максимальной расчетной скорости регулирования

В последнее десятилетие в энергетической отрасли России происходит широкомасштабное внедрение систем автоматического управления на базе программно технических комплексов (ПТК). Основой любого ПТК является промышленный контроллер, в структуре которого обычно содержатся различного рода нелинейные элементы. Вследствие этого качество работы контроллеров в системах регулирования зависит не только от параметров идеального закона регулирования, но и от других практически значимых параметров нелинейных элементов.

Существующая практика настройки систем регулирования на работающих объектах, как правило, предполагает экспериментальный поиск настроечных параметров в условиях реальных нелинейностей.

С другой стороны, современная экономическая ситуация требует, чтобы внедрение систем управления происходило в сжатые сроки для минимизации простоя оборудования. Данный факт требует того, чтобы поиск настроечных параметров также мог осуществляться на стадии проектирования АСР, что возможно с помощью применения методов математического моделирования.

В настоящее время наиболее мощными являются методы имитационного моделирования, позволяющие провести симуляцию натурных экспериментов на модели, максимально приближенной к объекту управления и полностью воспроизводящей его структуру и функциональные связи.

Создание и исследование имитационной модели систем автоматического регулирования с нелинейными элементами можно выполнить на основе линейной системы с дополнительным включением в его состав элементов, описывающих нелинейности.

Помимо решения задач по проектированию систем автоматического регулирования методы имитационного моделирования могут использоваться для создания тренажеров оперативного персонала.

В настоящее время существует широкий выбор программных продуктов, позволяющих как разрабатывать сами имитационные модели, так и проводить с ними имитацию экспериментальных исследований. В большинстве своем они реализованы в виде графических редакторов и набора стандартных элементов, из которых можно набирать модель исследуемой системы [1]. Общими недостатками подобных продуктов, помимо высокой стоимости, является закрытость логики модулей, невозможность их изменения, ограниченность библиотекой стандартных элементов. В частности, указанные недостатки могут стать препятствием при создании имитационной модели нового нестандартного устройства.

С учетом вышесказанного в диссертационной работе решается практически значимая и актуальная задача по разработке методического и математического обеспечения имитационного моделирования систем регулирования с нелинейными элементами на основе открытой технологии программирования.

Диссертация состоит из четырех глав и двух приложений.

В первой главе «Предмет исследования и обзор работ по математическому обеспечению задач синтеза и анализа систем регулирования» рассмотрены особенности имитационного моделирования, показано его преимущества для решения задач синтеза и анализа нелинейных систем автоматического регулирования. Приведены сведения о наиболее популярных программных пакетах для построения имитационных моделей, сформулированы требования к среде программирования для более точного имитационного моделирования систем автоматического регулирования с нелинейными элементами, обоснован выбор программного пакета МаЛСАО для решения поставленных задач и рассмотрены структуры типовых регуляторов, применяемых на практике. Показано, что в настоящее время в существующих публикациях недостаточно освещен вопрос по выбору параметров регулятора, работающего с ИМ постоянной скорости в режиме импульсного управления. В частности, требуется выполнить исследование работы широтно-импульсного модулятора, используемого в таких случаях, с учетом эксплуатационных требований: минимизации частоты включений ИМ, недопущения автоколебательных режимов и др.

Вторая глава посвящена разработке библиотеки типовых блоков линейных и нелинейных элементов систем регулирования, которая может быть использована для построения имитационных моделей реальных АСР. В работе представлено математическое описание линейных и нелинейных элементов и типовых узлов, используемых при построении АСР. В соответствии с математическим описанием составлены их имитационные модели. Приведены результаты тестирования разработанных программных модулей.

В третье главе выработаны методические указания по созданию имитационных моделей АСР, рассмотрен процесс построения имитационных моделей АСР с нелинейными элементами на основе разработанных программных блоков, а также даны примеры решения задач оптимизации при синтезе и анализе имитационных моделей.

Работоспособность созданной модели проверена посредством проведения натурных экспериментов на реальном оборудовании, для чего была создана имитационная модель лабораторного стенда с микропроцессорным регулятором «Протар».

Следует отметить тот факт, что был рассмотрен пример использования имитационного моделирования на этапе проектирования, что является ценным результатом с точки зрения практики.

В четвертой главе был проведен анализ качества процессов регулирования в АСР с нелинейными элементами методом имитационного моделирования.

Сделано подробное исследование влияние нелинейных элементов на качество переходных процессов в системе с цифровым регулятором.

Практическая ценность этой части работы заключается в выработке рекомендаций по настройке автоматических систем регулирования с широтно-импульсным модулятором.

В приложениях представлены структуры АСР применяемых на практике и результаты расчетов.

Диссертационная работа выполнена на кафедре автоматизированных систем управления тепловыми процессами МЭИ (ТУ) под руководством к.т.н. доцента В.Р. Сабанина при научном консультировании доцента В.Ф. Кузищина, которым автор благодарен за значительную помощь, оказанную при подготовке диссертации.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам кафедры АСУ ТП и прежде всего доценту Смирнову Н.И., профессору Панько М.А., оказавшим ему содействие и поддержку на различных этапах работы.

Основные результаты, полученные в работе, а также выводы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разработаны библиотеки типовых блоков линейных и нелинейных элементов систем регулирования и их исследование, а именно: создано математическое и программное обеспечение имитационного моделирования линейных и нелинейных динамических элементов в математическом пакете МаШСАО. Выполнено тестирование программных модулей.

2. Создано методическое обеспечение для построения имитационных моделей систем регулирования технологических процессов.

3. Произведен анализ применимости разработанного программного обеспечения для создания имитационной модели реальной АСР и ее настройки. Создана имитационная модель для АСР с микропроцессорным регулятором ПРОТАР и исполнительным механизмом постоянной скорости с использованием ШИМ. На основе серии экспериментов для различных вариантов параметров настройки показана адекватность разработанной имитационной модели.

4. Рассмотрен пример использования имитационного моделирования для настройки систем регулирования на стадии проектирования, а именно: построена имитационная модель системы регулирования и произведена оптимизация системы регулирования.

5. Произведен анализ качества процессов регулирования нелинейных систем методом имитационного моделирования. Рассмотрено влияние нелинейных элементов на качество переходных процессов в системе с цифровым регулятором.

6. Произведен анализ применения полученной методики для настройки систем регулирования с широтно-импульсным модулятором (ШИМ) и исполнительным механизмом постоянной скорости. Даны рекомендации по корректировки минимальной длительности импульса ШИМ.

Таким образом, поставлена и решена задача разработки методического и программного обеспечения на базе математического пакета МаШСАХ) для имитационного моделирования систем регулирования технологических процессов с нелинейными элементами, в том числе, - с исполнительными механизмами постоянной скорости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Компьютерное моделирование в научных исследованиях и в образовании. "Exponenta Pro. Математика в приложениях", №1, 2003, с. 4-11.

2. Cunningham W.J. Introduction to Nonlinear Analysis. McGraw-Hill Book Company, Inc., New-York, 1958.

3. Stout T.M. A step-by-Step Method for Transient Analysis of Feedback System with One Nonlinear Element. Trans. Am. Inst, of Electr. Eng., New York, Part II, 1956.

4. Ku Y.H. Analysis and Control of Nonlinear Systems. Roland Press Company, New York, 1958.

5. Солодовников B.B. (ред.) Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Изд-во «Машиностроение», 1967.

6. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981, с. 488.

7. Строгалев В. П., Толкачева И. О. Имитационное моделирование. — МГТУ им. Баумана, 2008. — С. 697-737.

8. Barish N.N., Economic Analysis for Engineering and Managerial Decision-Making, McGraw-Hill Book Co., New York, 1962.

9. Методы исследования нелинейных систем автоматического управления. Под ред. Нелепина Р.А. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М, 1975, 448 с.

10. Poincaré H. Sur les courbes définiés par une equation différentielle. Oevres. vol. I, Paris, 1928.

11. Bendixson J. Sur les courbes définies par les équations differentialles. Acta Math., vol., 24, 1901.

12. Wazewski T. Une métode topologique de l'examen du phénomène asymp-totique relativement aux equations différentielles ordinaries. Rend. Accad. Lincei, vol. 3,210-215, 1947.

13. Немыцкий B.B. Метод вращающих функций Ляпунова для разыскания колебательных режимов. Докл. АН СССР, т. 97, стр. 33, 1954.

14. Немыцкий В.В., Степанов В.В. Качественная теория дифференциальных уравнений. Гостехиздат, 1949.

15. Gomory R.E., Haas F.A. Study of Trajectories which Tend to a Limit Cycle on Three-Space, Annals of Mathematics, vol. 62, № 1, 1955.lô.Massera J.L. Contributions to stability theoiy. Ann. Math., 64, pp. 182 206, 1956.

16. Cesari L. Asymptotic Behavior and Stability Problems in Ordinary Differential Equations. Springer Verlag, 1959.

17. Зубов В.И. Колебания в нелинейных и управляемых системах. Судпром-гиз, 1962.

18. Рубашкин А.С. Моделирование процессов в составе тренажеров для операторов ТЭС // Теория и практика построения и функционирования АСУ ТП: Труды Международ, науч. конф. «Control-2000». M.: Издательство МЭИ, 2000. - С. 112-114.

19. Виноградова Н.А. Разработка прикладного программного обеспечения АСНИ в среде Lab VIEW при проведении теплофизического эксперимента: учебное пособие/ Н.А. Виноградова, ЯМ. Листратов, Е.В. Свиридов. -М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 48 с.

20. Черных И.В. Simulink. Среда создания инженерных приложений. М., Диалог-МИФИ, 2004 - 491 с.

21. Зверьков В.П., Павлов С.П. Моделирование динамических систем на ПЭВМ с использованием программы «20-sim». 4.1. Одноконтурные системы: лабораторный практикум. М.: Издательство МЭИ, 2003. - 68 с.

22. Учебно-тренировочный комплекс для подготовки персонала цехов ТАИ. Комплекс АУК для подготовки персонала КТЦ ТЭС по вопросам автоматизации энергоустановок. М., 2009.

23. Клиначева Н.В. Разработка программного комплекса для электротехнических систем. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Челябинск, ГОУ ВПО «Южно-Уральский Государственный Университет», 2009.

24. Семенеко М.Г. Математическое моделирование в MathCad. — М., Аль-текс, 2003, с. 208.

25. Очков В.Ф. Mathcad 14 для студентов и инженеров: русская версия. -Санкт-Петербург, БХВ-Петербург 2009.

26. ЗЗ.Олссон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления. -СПб.: Невский Диалект, 2001. 557 с.

27. Давыдов Н.И. Определение динамических параметров релейных регуляторов с сервомотором, не охваченным обратной связью, по их временным характеристикам // Теплоэнергетика. 1964. № 10. С. 36-40.

28. Фалькович В.Н. «Анализ структуры и исследование динамических свойств релейных регуляторов с нелинейной обратной связью». Диссертация М.: Издательство МЭИ, 1970. - 174 с.

29. Давыдов Н.И. Динамические характеристики электронных регуляторов ВТИ // Теплоэнергетика. 1954. № 5.

30. Штейнберг Ш.Е., Хвилевицкий Л.О., Ястребенецкий М.А., Промышленные автоматические регуляторы, М.,Энергия, 1973, 568с.

31. Ротач В.Я. Теория автоматического управления: Учебник для вузов. — 2-е перераб. и доп. М.: Издательство МЭИ, 2004. — 400 с.

32. Ротач В.Я., Кузищин В.Ф., Коцемир И.А. О влиянии зоны нечувствительности релейно-импульсных регуляторов на расчет и автоматизированную настройку их параметров // Теплоэнергетика. 1987. № 10. С. 1722.

33. Фалькович В.Н. Средства автоматического регулирования тепловых процессов на электростанциях. М.: Энергия, 1977. Вып. 2.

34. Александрова Н.Д., Давыдов Н.И. О настройках импульсных релейных регуляторов на малоинерционных объектах // Теплоэнергетика. 2002 № 5. с. 54-57.

35. Давыдов Н.И., Идзон О.М. Моделирование на ЦВМ релейного ПИ регулятора. //Теплоэнергетика. 1989. № 10. С. 17-21.

36. Дудников Е.Г., Левин A.A., Промышленные автоматизированные системы управления, М., Энергия, 1973, с.80

37. Стефании Е.П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов. М., Энергия, 1972.

38. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. Учебник для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: «Машиностроение», 1978.-736 с.

39. Беляев Г. Б., Кузищии В. Ф., Смирнов Н. И. Технические средства автоматизации в теплоэнергетике. М.: Энергоиздат, 1982.

40. Теория автоматического управления. Ч. II. Под ред. A.B. Нетушила. Учебник для вузов. М.: «Высш. школа», 1972. 432 с.

41. Анисимов Д.Н. «Разработка метода исследования систем автоматического управления объектами с большими постоянными времени при наличии широтно-импульсной модуляции». Диссертация М.: Издательство МЭИ, 1991.- 155 с.

42. Овен. Оборудование для автоматизации // Рекламные материалы — Каталог продукции Овен Режим доступа: http://www.owen.ru/ /text/36768225, свободный - Загл. с экрана.

43. Сабанин В.Р., Смирнов Н.И. Расчеты автоматических систем регулирования в теплоэнергетике. — М.: Издательство МЭИ, 2004. — 281 с.

44. АБС ЗЭиМ Автоматизации // Электрические механизмы и приводы -Интеллектуальные (МЭОФ, КИМ1) — Режим доступа: http://www.zeim.ru/elpm/mei/, свободный — Загл. с экрана.

45. Автоматизация настройки систем управления / В.Я. Ротач, В.Ф. Кузи-щин, A.C. Клюев и др. М.: Энергоатомиздат, 1984.

46. Цой Е.Б., Самочернов И.В. Моделирование и управление в экономике (часть 1): Курс лекций. Новосибирск: Изд-во НГТУ. 2003.

47. Панько М.А. Расчет и моделирование автоматических систем регулирования в среде MathCAD. М.: Изд-во МЭИ. 2004.

48. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие/ A.C. Клюев, А.Т. Лебедев, С.А. Клюев, А.Г. Товарнов; Под ред. A.C. Клюева. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энерго-атомиздат, 1989. - 368 с.

49. Розенвассер E.H. Об абсолютной устойчивости нелинейных систем. Автоматика и телемеханика, т. XXIV, № 3, 1963.

50. Дьяконов В. MATHCAD 8/2000: Специальный справочник Спб: Питер, 2001.-592 с.

51. Кудрявцев Е.М. Mathcad 2000 Pro. М.: ДМК Пресс, 2001. - 576 с.

52. Аракелян Э.К., Пикина Г.А. Оптимизация и оптимальное управление / Под ред. Щедеркиной Т.Е. М.: Издательство МЭИ, 2003. - 356 с.

53. Кузин Л.Т. Основы кибернетики. М.: Энергия, 1973. 504 с.

54. Статические методы в инженерных исследованиях. М.: «Высшая школа», 1983.-216 с.

55. Гринфельд Г.М. Теория автоматического управления. 120 с.

56. Наладка автоматических систем и устройств управления технологическими процессами. Справочное пособие. Под ред. A.C. Клюева. М.: Энергия, 1977.-400 с.

57. Кузищин В.Ф. Лабораторная работа по курсу «Технические средства АСУ ТП» Автоматическая система регулирования с микропроцессорным регулирующим прибором Протар-100. М.: Изд-во МЭИ, 1991. - 12 с.

58. Сабанин В.Р., Смирнов Н.И., Репин А.И. Параметрическая оптимизация и диагностика с использованием генетических алгоритмов // Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. №12.

59. Модифицированный генетический алгоритм для задач оптимизации и управления.//Сабанин В.Р., Смирнов Н.И., Репин А.И. //Exponenta Pro. Математика в приложениях. 2004. №3-4.С.78-85.