автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Методы и модели систем автоматизированной настройки параметров технологических процессов

сь* российская академия наук

Институт проблем управления

V

\

На правах рукописи

АНИСИМОВ А Наталья Георгиевна

МЕТОДЫ И МОДЕЛИ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ НАСТРОЙКИ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники,

математических методов и - математического моделирования в научных исследованиях

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Институте проблем управления РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Круг Е.К.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лотоцкий В.А. кандидат технических наук, профессор Александриди Т.М.

Ведущая организация: ЦНИИКА

Защита состоится «.2&> СГ/-ОМЯ 1998 г. в /г/ часов на заседании диссертационного совета в Институте проблем управления по адресу: г. Москва, Профсоюзная, 65.

Автореферат разослан«?^ А/ ¿7Л 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., с.н.с. С.А. Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обуславливается бурным развитием науки по анализу и синтезу алгоритмов управления, а также продолжением развития и качественными изменениями в информационно-компьютерной среде, связанными, в частности, с чрезвычайно быстрым развитием новых технологий.

В различных областях экономики существуют промышленные объекты, характеризующиеся сравнительно неточным знанием статических и динамических свойств объекта, наличием помех, ограничениями регулирующего воздействия, высокими требованиями к статической точности регулирования.

Практика эксплуатации отечественных и зарубежных систем управления для ряда производств с медленно протекающими технологическими процессами показала, что на нижнем уровне иерархии предусматривается,- как правило, достаточно большое количество простейших регуляторов. К рассматриваемому классу объектов относятся технологические процессы, для управления которыми предусматривается регулирование температуры, давления, расхода, положения координаты и других технологических параметров.

Значительным недостатком, присущим таким производствам, является- ручная установка коэффициентов настройки и большая трудоемкость процедуры подбора коэффициентов, обеспечивающих заданное качество процесса управления. Обычно эти операции, требующие большой затраты времени, выполняются только один раз на этапе отладки системы управления. Во время эксплуатации системы регулирования необходимо систематически ( после включения, изменения режима работы и т.д.) проводить коррекцию параметров настройки из-за временного ухода параметров объекта.

Автоматизация процессов настройки регуляторов и использование автоматизированной системы подстройки позволяют существенно сократить время и число людей, как при отладке системы в процессе пуско-наладочных работ, так и при эксплуатации.

Целью настоящей работы является разработка методов и моделей системы автоматизированной настройки параметров регулирования промышленных объектов, допускающих пробные воздействия, и создание системы автоматизированной настройки параметров регуляторов во время

имитационного или натурного эксперимента в режиме диалога с оператором.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие'задач и исследования:

1. постановка и решение задачи определения области устойчивости и требуемого качества в виде задачи робастного управления;

2. разработка методов и моделей доя решения задач автоматизированной настройки;

3. создание диалоговой системы автоматизированной настройки параметров регулирования.

Методы исследования. Исследования выполнены на основе теории робастного управления, теории автоматического регулирования, теории оптимизации и вычислительных методов.

Научная новизна диссертации состоит в том, что автором

- Определена область сохранения устойчивости и требуемого качества при дрейфе параметров объекта.

- Предложены новые методы определения параметров регулятора в зависимости от параметров объекта.

- Создана диалоговая система автоматизированной настройки параметров регуляторов промышленных объектов в режиме натурного эксперимента.

Практическая ценность диссертации определяется тем, что разработанное программное обеспечение может быть использовано для автоматизированной настройки параметров систем регулирования в промышленности. Предложенные методы для определения параметров регулятора представляют самостоятельную ценность и могут быть использованы в других системах автоматизированной настройки.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 5 статьях.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, трех глав основного материала, заключения, списка литературы, включающего в себя 40 наименований и приложения. Она содержит 95 страниц машинописного текста, в том числе 24 рисунка и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы на основе анализа проблем и обзора основных работ в области робастного управления и автоматизированных систем управления, сформулированы основные задачи исследований. Отмечается, что к настоящему времени сформировалось достаточное разнообразие промышленных систем автоматизированного управления, хотя во многом и равносильных между собой. Сформулированы цели и задачи исследования. Кратко изложено содержание работы по главам. На рис.1 представлена схема организации автоматизированной настройки.

Рис. 1

В первой главе рассматриваются вопросы исследования систем управления с точки зрения влияния неопределенности параметров объекта на устойчивость и качество переходных процессов.

В качестве одной из перспективных областей приложения робастного управления исследуются проблемы устойчивости и сохранения требуемого качества. Показаны тенденции влияния этой тематики на формирование новых методов исследования систем управления. Поставлены задачи разработки моделей оценки области устойчивости в пространстве параметров объекта и области сохранения требуемого

качества при дрейфе параметров объекта. Разработана модель и показаны особенности анализа и оценки полученных областей в пространстве параметров

В реальных системах переходные процессы отличаются от ожидаемых вследствие временного ухода параметров объектов, наличия нелинейных зависимостей, свойственных реальным системам, и работы системы в разных режимах во время ее эксплуатации. Широкий класс промышленных объектов с самовыравниванием и без него хорошо описываются уравнениями первого порядка с запаздыванием. /

Пусть ¿3^,5=0,1,2,..., - исходные значения действительных *

параметров, а а5 - их измененные значения.

Пусть характеристическая функция запи сывается в виде:

х(г) = IX^0), <рА2(®)) - М^) + О)

Граница О-разбиения в пространстве коэффициентов а3 определяется параметрическими уравнениями Не *(*(<»)) - О , Ы%(г(а>У) = 0 ,

А* / * * \

Расстояние от точки Л (я0 ,а1,...) до произвольной точки А(а0,а1,...) даётся величиной

I

Найдем расстояние от точки А до границы Б - разбиения, которое определяется как минимум этого расстояния по всем точкам А , принадлежащим границе Б -разбиения.

При т = 2 расстояние до границы Б - разбиения равно:

2

ex(z(a>))) -2Ф,Ф2 ReZ(Z(Ü))) Х х lmx{z{a>))+0?(lm^(z(iö)))

. 1

Ли,min =nun^

где Ф, и Ф2 - векторы с компонентами Ks<pu и Ks(p2s соответственно,

Oj , Ф}Ф2 и Фз - их скалярные произведения, а

д = Ф*Ф* -(ф,ф2)2

. Рассматриваются одноконтурные системы, состоящие из объекта (с самовыравниванием и без самовыравнивания), описываемого уравнением первого порядка с запаздыванием и типовых регуляторов.

т0 +з>(0 = Wt ~ *> ■+ M{t - г)] ci)

dy(t)

T0^=u(t-v) + M(t-r)

Здесь y(t) - регулируемая величина; u(t — г) и M(t — г) -соответственно регулирующее и возмущающее воздействия, приведённые ко входу объекта; Т0 - основная постоянная времени объекта; г -эквивалентное запаздывание, учитывающее как чистое запаздывание, так и сумму друпрс постоянных времени системы, каждая из которых много меньше постоянной Т0%К0 - коэффициент передачи объекта с самовыравниванием;

"(О = Kp{{y,-y{t)) + ~ ¡(у, -y(t))dt)

и

где Кр - коэффициент передачи ПИ-регулятора;

Ти - постоянная времени интегрирования;

уз • заданное значение.

£ - отклонение регулируемой величины от её заданного значения.

Для анализа устойчивости этой системы в квазиполином, который имеет вид

К К

T^+z + K^ze-^-f^e^^Q (2)

»

подставим z = jû> и будем считать коэффициенты Т0 и Ка переменными параметрами, а настройки ПИ-регулятора Кр,Ти-

постоянными коэффициентами. После проведения необходимых выкладок получаем

со

К =

Т„ =

С2 эт та - С, со сое тсо С, со вт тсо + С2 соб тсо iу(С2 бш тсо - С, со соб та).

где С, = К , С2 =

V

В пространстве параметров построено Б-разбиение как для объектов с самовыравниванием (рис. 2), так и дня объектов без самовыравнирания (рис.3).

г ■

Рис.2

г

Рис. 3

Граница О-разбиения в пространстве коэффициентов аг определяется параметрическими уравнениями. Пусть а, = Т0, аг - Ка, тогда:

<ри(а)) =-й)1, <рК2(а))^ К

1

со бш та +—сое то , V Т„ )

<Ръ(<у) = о , ^ггС®) = ^ ¿У'СОЭГСУ - — ятта» |,

4 и

• Ф, = {Км^Кмг}, Ф2 = {кх<рп,Кг(р22\, Ф? = + К\ср'п, Ф* = + К]92п, Ф,Ф2 = К1<рп(рп+ К1<рХ2<ри

■1^КхК2{(1)п(р12 -<ри(р21) ,

1

-7Д =К,КтК„\ ¿усовтгу-—-этта

ад = г1, <р2= Кре~

Ф* = К1а>* + К1К \ + — соътсо

Ф1 = К]К\

(О соб Г(0 - — бш гсо \

Ф,Ф2 = К\Кг

(ог~

и

Л

зшшсобш.

После необходимых выкладок были рассчитаны значения р(й>) дпя номинальных значений параметров и . для изменённых значений параметров объекта как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения и найдены пределы изменения параметров, при которых не нарушается устойчивость - определена мера робастной устойчивости, которая означает, что одновременно с устойчивостью исходной системы устойчивы и все системы, для которых мера отклонения параметров меньше максимальной.

Если обозначить совокупность параметров объекта вектором в, регулятора -вектором р., а значение критерия качества как функции в и

(1 - ¡(б,/л) , то для данного объекта и выбранной структуры регулятора

можно решить численными методами задачу оптимальной настройки регулятора, то есть задачу нахождения вектора

. Ц ,1Ш1 (!(#,,//)) —1{0,/1 I, обеспечивающего минимальное значение

показателя качества. Здесь П - область значений параметров регулятора, в которой система обладает требуемым запасом устойчивости.

При выборе критерия настройки учитываются следующие априорные данные:

- задача системы регулирования - поддержание регулируемых величин с заданной точностью на заданных уровнях при разных возмущающих воздействиях;

- наиболее характерны возмущения на входе объекта, которые можно представить в виде скачков ;

- параметры объекта могут меняться с течением времени.

Для определения параметров системы регулирования в зависимости от параметров объекта была проведена оптимизация. В качестве критерия

было выбрано время Г - время вхождения переходного процесса в 5% коридор при скачкообразном возмущении . Для различных параметров объекта Т0,К0,т требуется найти оптимальные в смысле минимума времени вхождения в 5% коридор значения Кр и Ти. Был использован поисковый метод Нелдера и -Мида - поиск по деформированному многограннику. Поиск производился по двум переменным КаКр и Ти.

Дня двух переменных -регулярный симплекс представляет собой равносторонний треугольник .

. При поиске минимума целевой функции пробные векторы выбираются в точках, находящихся в вершинах симплекса. Из вершины, где целевая функция максимальна, проводится проектирующая прямая через центр тяжести симплекса. Улучшенные значения целевой функции находятся последовательной заменой точки с максимальным значением целевой функции на точку с меньшим значением. Процедура отыскания вершины в которой целевая функция имеет лучшее значение состоит из следующих операций:

1. Отражение (с коэффициентом СС );

2. Растяжение (с коэффициентом у )>

3. Сжатие (с коэффициентом /?);

4. Редукция (с коэффициентом 0.5)

В результате оптимизации ( а — \,Р~ 03, у = 2) найдена

Та Т0

зависимость К.К„ от — и Ти от — -рис4.

Р • г и т

&

1 <

3

2

3

\

)•---- ц

г з

1 +Ас

7 8

- КК(,

• о -- т./т Рис.4

Определив оптимальную настройку регулятора Ц для исходных («номинальных») значений параметров модели объекта и соответствующее ей значение показателя качества, можно исследовать влияние неопределенности знания этих параметров на критерий качества системы

Для этого отрезок [б?Ш1П,с/ти]- диапазон варьирования параметра разбивается на О частей. В точках диапазона

а™*-а

пип

шш

при фиксированных всех остальных параметрах системы производится вычисление значений показателя качества работы системы I/. По этим значениям определяется среднее и максимальное значения

I™, = тах1,,/ = !,...,£>

Сравнение этих величин с вычисленным ранее значением \ном позволяет оценить возможные изменения качества в пределах заданного диапазона неопределенности параметров объекта.

ы\. ииим>. lJ+лna

а*

М. 1Л1<**| 1.«ЫКМ>

б.

им

Рис. 5

На рис. 5 а и б изображены переходные процессы, соответственно удовлетворяющие требуемому качеству и полученные при увеличении К0 в 1.3 раза. На рис. 5, в, г1, д, е отражена зависимость I от изменения параметров объекта, на рис.5, в - одновременное увеличение Ка и г, на рис. 5, г, д, е - изменение Ка,Т0,т на 20% от номинальных значений.

Вторая глава посвящена автоматизации процесса настройки параметров регулирования. При автоматизации процесса настройки решаются следующие задачи: , *

Щ идентификация параметров объекта в режиме натурного эксперимента (подача пробных воздействий на объект и обработка отклика объекта)

В настройка параметров регуляторов с использованием результатов идентификации параметров объекта по формулам, полученным в результате решения ряда оптимизационных задач, а также машинных методов подбора эмпирических формул.

При проведении идентификации предполагается, что известен тип объекта, подключены типовые исполнительные устройству, заранее налажена система измерения и подготовлен вычислительный комплекс, предназначенный для проведения автоматизированного процесса настройки.

Пробные воздействия генерируются в зависимости от типа объекта и исполнительного устройства. Обработка отклика объекта на эти воздействия по предложенным алгоритмам позволяет определить основные характеристики объекта. Длительность интервала и амплитуда пробного воздействия устанавливаются в диалоговом режиме.

На рис. 6 а,б,в представлены виды пробных воздействий для объектов с самовыравниванием и без самовыравнивания для различных типов исполнительных устройств.

Пропорциональное НУ

Объект с самовыравни ванием

Объект без самовыравнивания

X

т

Рис.ба

Астатическое ИУ медленнодействующее

Объект с Объект без

самозыравни самовыравнивания

ванием •

и - и нн

0 1 0 (•г* «-V I

Рис.66

Астатическое ИУ быстродействующее

Объекте самовыравни 'ванием

Объект без самовыравнивания

и1

<-2\-

<г- >

о

Рис. б в

Для полученных с помощью методов оптимизации параметров регулятора в зависимости от изменения значений параметров объекта методом эмпирического подбора формул на ЭВМ в диалоговом режиме найдены компактные формулы отражающие зависимость параметров

регулирования от параметров объекта, как для объектов с самовыравниванием, так и для объектов без самовыравнивания.

Формулы расчета параметров настройки для ПИ регулятора

Объект

с самовыравниванием без самовыравнивания

/ ( у25б\038 КрК0 = 0.0419+0.4259 ^4 +0.0423 V Ч/о'' т ( ( у°Г2 — = 0.0009 + 0.2441 ^ -0.0767 т \ \т0; Кр ¥0 = 0,65 Ти = 4г

Формулы расчета параметров настройки для ПИД регулятора

Объект

с самовыравниванием

без

самовыравнивания

С

крк0 =

, -1

0.0394 + 0.837— +0.0431

Т

т

То

0.0309 + 0.6779

-0.0024

3229+0.2819

Г \!.98\-°76 т |

и

-0.0001

о' /

к— = 1.1

Р т*

л0

Т„ = 25т

Тл = 0.3 7 г

Задача подбора формулы обычно возникает тогда, когда требуется аналитическая замена набора значений функции, заданной на точечном множестве. Структура эмпирических формул наряду с алгебраическими функциями может включать и трансцендентные функции. Параметры могут входить в формулу как линейно, так и не линейно. Суть подбора заключается в приведении таких функций нелинейными преобразованиями координат к алгебраическому полиному первой степени, коэффициенты которого определяются методом наименьших квадратов.

Обосновывается необходимость коррекции параметров настройки в замкнутом контуре управления и приводятся рекомендации по введеншо коррекции в алгоритмы управления на базе типовых алгоритмов регулирования.

Третья глава посвящена изложению требований к вычислительному комплексу и переносной станции по проведению автоматизированной настройки. Необходимо, чтобы технический и программный уровень вычислительных средств обеспечивал необходимую степень автоматизации, быстродействие и точность с учетом возможностей функционирования настраиваемой системы в реальном масштабе времени в диалоговом режиме. Изложена методика автоматизированной настройки и даны практические рекомендации непосредственно оператору, проводящему настройку на технологическом объекте в диалоговом режиме.

Приведен перечень алгоритмов и программ, необходимых оператору для автоматизированной настройки. Математическое обеспечение состоит из алгоритмов и программ идентификации характеристик объекта, алгоритмов и программ настройки параметров регуляторов. Реализация математического обеспечения осуществлена в виде диалогового программного комплекса, включающего набор пакетов прикладных программ, составленных на языке Паскаль.

Главные составляющие пакета, такие как интерфейс пользователя, блок алгоритмов идентификации параметров объекта и блок вычисления значений параметров настройки, связанй между собой информационными потоками. Эти связи обеспечивают обмен качественной и количественной информацией между частями пакета и оператором, проводящим автоматизированную настройку.

Графический интерфейс состоит из нескольких окон, в которых данные, относящиеся к методу автоматизированной настройки, могут быть введены, просмотрены и изменены. Функции оператора сводятся к заданию

и изменению численных значений исходных и промежуточных данных в соответствии с запросами системы и осуществлению настройки.

Описываются функции, составляющие пакет программ. Информация об этих функциях может быть получена с помощью процедуры help.

При запуске пакета на экране появляются окна, относящиеся к информации, которая требуется пакету для начала работы: «Модель объекта», «Тип исполнительного устройства», «Тип регулятора», «Идентификация», «Параметры объекта», «Настройка», «Параметры настройки», «Графика».

Разработанный пакет обладает следующими основными свойствами:

- пакет поддерживает управляемый посредством меню командно-программный поток, что обеспечивает удобство пользования;

- интерфейс ввода-вывода удобен для оператора, а также дает возможность взаимодействия с другими пакетами;

- система открыта для возможных расширений.

В приложении приводятся описание разработанного программного обеспечения, включающего пакеты прикладных программ модульной структуры, ориентированного на работу с оператором, проводящим автоматизированную настройку, а также рисунки и графики, полученные в процессе проведенных исследований и необходимые для иллюстрации полученных результатов.

Заключение

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Найдена область допустимых вариаций параметров объекта, при которых система сохраняет устойчивость. Найдена область допустимых вариаций параметров, .при которых сохраняется требуемое качество. Найдена область, в которой система сохраняет как устойчивость, так и требуемое качество, при дрейфе параметров объекта внутри этой области, а также найдена мера робастной устойчивости исследуемой системы.

2. Установлено, что как увеличение, так и уменьшение коэффициента передачи объекта относительно «номинального» значения ведет к ухудшению качества процесса, и увеличение постоянной времени объекта шносителыю рассматриваемого при настройке также ведет к ухудшению качества процесса без нарушения устойчивости. Увеличение запаздывания в системе я два р<аг =едст к возникновению автоколебаний, а при дальнейшем увеличении к неустойчивости объекта. К резкому ухудшению

качества и неустойчивости процесса ведет одновременное увеличение коэффициента передачи объекта и запаздывания.

3. Предложены алгоритмы генерации пробных воздействий в зависимости от типа объекта и типа исполнительного устройства. Предложены алгоритмы обработки результата отклика объекта на эти воздействия, позволяющие определить основные характеристики объекта как для разомкнутого контура управления, так и для замкнутого.

4. Даны рекомендации по выбору параметров регуляторов в зависимости от параметров объекта. Предлагаются формулы расчета параметров общепромышленных регуляторов, а также параметров цифровых регулирующих блоков в зависимости от типа исполнительного устройства. Предложены алгоритмы коррекции параметров настройки в режиме эксплуатации объекта.

5. Сформулированы требования к вычислительному комплексу по проведению автоматизированной настройки параметров систем регулирования технологических объектов и к переносной станции по автоматизированной настройке систем регулирования промышленных объектов.

6. Предлагается методика автоматизированной настройки систем регулирования промышленных объектов в режиме натурного эксперимента, позволяющая оператору в режиме диалога производить настройку и подстройку параметров. Даны рекомендации оператору по проведению автоматизированной настройки.

7. Предлагается для промышленных объектов с большим количеством регуляторов для настройки систем регулирования использовать переносную станцию по настройке, представляющую собой персональную ЭВМ, оснащенную устройством связи с объектом.

8. Разработано необходимое математическое обеспечение для проведения автоматизированного процесса настройки. С помощью вычислительных экспериментов оценена эффективность предложенной методики. Исследуется поведение системы на модели, что, дает возможность избежать преждевременного риска, связанного с выполнением автоматизированной настройки непосредственно на объекте.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах

1. Н.Г.Анисимова, Е.К.Круг, С.В.Осетрова Выбор структуры и алгоритмов многосвязной системы управления прочностными испытаниями конструкций.//Системы автоматизированного управления натурным экспериментом (исследование и построение)-М.: Ин-т проблем управления, 1991.£72-79.

2. Н.Г.Анисимова, Е.К.Круг, С.В.Осетрова Методика настройки систем регулирования при проведении прочностных испытаний конструкций//Системы автоматизированного управления натурным экспериментом (исследование и построение) -М.: Ин-т проблем управления, 1991.с 80-87.

3. Н.Г.Анисимова, Е.К.Круг Коррекция алгоритмов управления систем регулирования.// Приборы и системы управления 1994. №12. с23-25.

4. Н.Г.Анисимова Оценка робастности алгоритма управления по отношению к неопределенности параметров объекта. // Приборы и Системы управления 1995. №12.с8-10.

5. Н.Г.Анисимова, Е.К.Круг Автоматизация настройки систем регулирования АСУТП // Принятие решения при управлении сложными объектами: системы, методы, алгоритмы: М.: Институт проблем управления, 1997.

Заказ 61. Тираж 100. ИПУ.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ

На правах рукописи

Анисимова Н.Г.

МЕТОДЫ И МОДЕЛИ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ НАСТРОЙКИ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники,

математических методов и математического моделирования в научных исследованиях

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Круг Е.К.

Москва 1998

а

Содержание.

Введение. 4

Глава 1. Модели оценки робастности алгоритма управления по отношению к неопределенности параметров объекта и определение меры робастной устойчивости. 22

1.1 Упрощённое описание системы. 22

1.2 Условия устойчивости системы с запаздыванием. 23

1.3 Определение меры робастной устойчивости. 29

1.4 Определение области допустимых изменений параметров объекта без нарушения критерия качества и устойчивости. 34

Глава 2. Модель процесса идентификации, настройки и коррекции

параметров. 49

2.1 Алгоритмы моделирования и идентификации характеристик объекта регулирования. 49

2.2 Автоматизация процесса выбора параметров настройки

системы регулирования в разомкнутом контуре. 63

2.3 Коррекция параметров настройки систем регулирования в режиме эксплуатации. 71

Глава 3. Методика автоматизированной настройки систем регулирования промышленных объектов на основе моделирования. 76

3.1 Требования к вычислительному комплексу по проведению

автоматизированной настройки. 76 3.2 Методика автоматизированной настройки и рекомендации

оператору по проведению натурного эксперимента. 79

Заключение. 89

Литература. 92

Приложение. 97

Введение.

80-е годы можно считать периодом зарождения и становления нового раздела современной теории управления, получившего название робастное управление. В общих словах под робастностью понимается способность системы сохранять те или иные качества, прежде всего устойчивость, в условиях возмущений. На современном этапе продолжается развитие робастного управления, а также происходят значительные качественные изменения в информационно-компьютерной среде, связанные, в частности, с чрезвычайно быстрым развитием новых технологий. В связи с бурным развитием науки по анализу и синтезу алгоритмов управления, а также в связи с появлением нового поколения вычислительной техники и проникновением ее во все области человеческой деятельности становится актуальной разработка методов и моделей автоматизации процесса анализа и настройки систем регулирования для промышленных объектов.

Наличие средств имитационного моделирования дает возможность решать следующие задачи:

1) Осуществлять предварительную (до проведения натурных испытаний) настройку системы и оценку качества ее работы в номинальном режиме.

2) Оценить робастность системы по отношению к неточности параметров номинального режима и по отношению к возможному дрейфу параметров.

Под имитационным моделированием понимается метод исследования, основанный на замене изучаемой динамической системы ее имитатором, с которым и проводятся эксперименты с целью получения необходимой информации. В зависимости от требований и характера решаемой с помощью имитационного моделирования задачи в общую модель включаются те или иные модели. Библиотека программ обработки результатов эксперимента выполняет оценки характеристик и показателей качества работы системы.

Текущая информация о работе производства, поступающая в ЭВМ от систем контроля, используется при настройке параметров моделей. Диалоговая система, рассчитанная на оперативный персонал,через систему имитационного моделирования, осуществляет проведение эксперимента, обработку и выдачу результатов.

В различных областях экономики существуют промышленные объекты,

характеризующиеся сравнительно неточным знанием статических и

динамических свойств объекта, наличием помех, ограничениями

регулирующего воздействия, высокими требованиями к статической точности

регулирования. Наличие помех не позволяет получить достоверную

информацию о высоких производных и известно, что динамические свойства

/

систем с П , ПИ и ПИД регуляторами в 2-3 раза хуже оптимальных с учетом ограничений. Поэтому при автоматизации процессов управления технологических объектов, как правило, объекты описываются уравнением первого порядка с запаздыванием и используются П, ПИ и ПИД регуляторы.

Традиционная методология настройки системы регулирования технологических процессов базируется на использовании общеизвестных результатов теории автоматического регулирования [1, 2, 3], представляющих собой совокупность формул и процедур, позволяющих проводить аналитические расчёты алгоритмов управления. С другой стороны, появившаяся в настоящее время мощная вычислительная техника позволяет исследовать системы управления не только на модели и с помощью вычислительных экспериментов, но и в режиме натурного эксперимента. Реализующие этот подход алгоритмы и программы могут включаться в виде отдельной подсистемы в состав создаваемых автоматизированных систем. Однако реализация такого подхода невозможна без наличия специальной методики, ориентированной на автоматизацию процесса настройки и необходимой оператору, проводящему такую настройку непосредственно на технологическом объекте.

Практика эксплуатации отечественных и зарубежных систем управления для ряда производств с медленно протекающими технологическими процессами показала, что на нижнем уровне иерархии предусматривается, как правило, достаточно большое количество простейших регуляторов [4]. К рассматриваемому классу объектов относятся технологические процессы, для управления которыми предусматривается регулирование температуры,

давления, расхода, положения координаты и других технологических параметров.

Значительным недостатком, присущим таким производствам, является ручная установка коэффициентов настройки и большая трудоёмкость процедуры подбора коэффициентов, обеспечивающих заданное качество процесса управления. Обычно эти операции, требующие большой затраты времени, выполняются только один раз на этапе отладки системы управления. Во время эксплуатации системы регулирования рекомендуется систематически (после включения, изменения режима работы и т. д. ) проводить коррекцию параметров настройки из-за временного ухода параметров объекта. Автоматизация процессов настройки регуляторов и использование автоматизированной подсистемы подстройки позволяют существенно сократить время и число людей как при отладке системы в процессе пуско-наладочных работ, так и при эксплуатации.

На мировом рынке систем управления технологическими процессами идет жесткая конкурентная борьба между фирмами-разработчиками, производителями систем автоматизации и программного обеспечения.

г

Отечественный рынок характеризуется тем, что предложения^значительно превышают спрос. Выбор наиболее приемлемого варианта автоматизации - это многокритериальная задача, решением которой является компромисс между стоимостью, техническим уровнем, надежностью, комфортностью, затратами на сервисное обслуживание, полнотой программного обеспечения и т. д.

Основой любой распределенной системы управления является контроллер. До последнего времени роль контроллеров в АСУТП в основном выполняли PLC ( Programmable Logic Controller) зарубежного и отечественного производства. Пионером в создании, разработке и внедрении программируемых логических контроллеров является американская фирма Modicon (Modular Digital Control - цифровое управление на базе модульных систем). Среди иностранных наиболее популярны в нашей стране PLC фирм Allen-Breadley, Siemens, АВВ, Modicon, а среди отечественных - Ломиконт, Ремиконт, «Эмикон». Сейчас, в связи с бурным ростом производства миниатюрных РС-совместимых компьютеров, наметилась тенденция их использования в качестве контроллеров напрямую, связанная с концепцией открытой модульной архитектуры контроллеров. Основное достоинство РС-контроллеров - их открытость, то есть возможность пользователей АСУ ТП применять в своих системах самое современное оборудование, только появившееся на мировом рынке, причем у них есть уникальная возможность очень широкого выбора, поскольку оборудование для РС-контроллеров сейчас выпускают сотни производителей. Это очень важно, поскольку модернизация АСУТП идет сейчас поэтапно и занимает длительное время, иногда несколько лет. Пользователи могут теперь применять в системах продукцию разных фирм, отслеживая лишь соответствие определенным международным стандартам.

Специфика работы с контроллерами по сравнению с обычными «офисными» компьютерами состоит не только в ориентации на работу с платами ввода-вывода, но и в преимущественном использовании языков технологического программирования. Как правило, на промышленных предприятиях с контроллерами работают не программисты, а технологи, хорошо знающие специфику объектов управления и технологического процесса. Для их описания обычно используют языки релейно-контактных схем, функциональных блоков и другие, теоретические основы которых взяты из методов автоматического управления.

Все операторские станции в основном одинаковы. Управляет ли система десятком или сотней точек; выполняет ли она простое регулирование, упреждающее управление или расширенное компьютерное управление; является ли универсальный компьютер подсоединенным к базе данных для работы с управленческой информацией более высокого уровня - то есть, является ли система маленькой или большой, простой или сложной, непрерывного или периодического управления, или их комбинацией, схема работы операторской станции остается такой же. То, как оператор вызывает изображение, манипулирует переменными, обнаруживает и действует при сигнализации, запускает и останавливает пакеты, изменяет рецепты, печатает рапорты - все остается одинаковым, независимо от размера и сложности системы.

Во время революций в технологии разработок большие программные

Г

системы морально быстро устаревают, поскольку создавались в течении^ длительного времени на старой программно-технической и идеологической базе. В настоящее время бытует мнение, что можно купить любые программные продукты, решающие конкретные относительно небольшие задачи, а затем уже объединить их в единый многофункциональный комплекс. Такой процесс называется интеграцией систем. Однако эта проблема не имеет легкого решения. Сопряжение на интерфейсном уровне - необходимое, но недостаточное условие. Для больших систем взаимная адаптация проводится на концептуальном, содержательном, архитектурном уровнях. Обычно большие программные системы нужно переделывать, - хотя бы в какой-нибудь своей части. Перепроектировать такие системы часто дороже, чем сделать заново.

Практика автоматизации производственных процессов к настоящему времени выработала сравнительно небольшое число типовых законов регулирования, которые реализуются в серийных конструкциях регуляторов. Выбор регулятора для заданного регулируемого объекта производится обычно на основании общих соображений о регулируемом объекте, характере возмущающих и управляющих воздействий, которые могут действовать на систему в процессе ее работы, ассортимента аппаратуры. Выбирается структура и подходящий достаточно простой типовой закон регулирования для каждого канала, определяются динамические характеристики объекта,

производится расчет настройки регулятора, то есть определяются числовые значения параметров настройки регулятора, при которых система, будучи в достаточной степени устойчивой, работает с наибольшей достижимой для неё точностью, производится проверочный анализ качества работы системы при найденной настройке.

Динамические и статические свойства широкого класса объектов регулирования можно описывать дифференциальными уравнениями высокого порядка. Однако свойства реальных технологических объектов, как и свойства аппаратуры управления, обычно обладают определённой нестабильностью, подвержены непредвиденному изменению во времени. Из-за действий случайных помех и возмущений эксперимент приходится повторять, вручную восстанавливая перед началом последующего равновесный режим. При идентификации параметров объектов трудно точно определить все параметры таких уравнений. Поэтому практически для многих объектов уравнение высокого порядка заменяют уравнением первого порядка с запаздыванием [5,17], а при выборе закона управления требуют, чтобы система была грубой к параметрам объекта, в том числе и к времени запаздывания.

Методы расчета настройки даже для сравнительно простых систем регулирования оказываются довольно сложными, если не принять определенных упрощающих предположений о влиянии тех или иных факторов на работу системы. В частности, трудно поддается исследованию влияние нелинейностей на работу системы, что приводит к необходимости при расчете

[астроек стремиться представить систему в виде приближенно линейной :истемы, а также учитывать наличие различных ограничений, наложенных на :истему и наличие случайных помех.

Сложность расчета настройки систем возрастает при усложнении структуры, например при применении более совершенного закона регулирования в регуляторах, введении добавочных каналов передачи воздействий и тому подобное.

Для анализа работы исследуемой системы при найденной настройке в настоящее время существует сравнительно большое число методов. При наладке системы регулирования, когда она смонтирована и готова к включению в эксплуатацию, анализ ее работы при найденной путем моделирования настройке для наиболее характерных возмущающих воздействий в большинстве случаев целесообразно производить непосредственно на установке при включении системы.

В последнее время в связи с автоматизацией производства и связанным с этим усложнением схем регулирования правильный расчет настройки системы регулирования является не просто желательным, но и совершенно необходимым условием её работоспособности.

За последние годы, как у нас в стране, так и за рубежом , выработались технические требования, которым должны удовлетворять универсальные регулирующие блоки и особенности их включения в систему управления. Универсальные регулирующие блоки должны предусматривать сочетание с

исполнительными устройствами различных типов. Закон регулирования должен формироваться при совместной работе регулирующих блоков и исполнительных устройств и систем измерения. Технический и программный уровень вычислительных средств должен обеспечивать необходимую степень автоматизации, быстродействие и точность исследований с учетом возможностей функционирования исследуемой системы в реальном масштабе времени.

Выбор закона регулирования и его параметров целесообразно осуществлять с учетом типовых возмущений на входе объектов в зависимости от динамических свойств объектов управления и характеристик исполнительных устройств.

Следующий круг вопросов связан с управлением в условиях параметрической неопределенности. Необходимость учета возмущений в системах управления вызвана многими причинами: наличием помех измерений, немоделируемой динамикой, колебаниями параметров системы, внешними и структурными возмущениями, нелинейностью и т. д.. Обычно возмущения коэффициентов не являются независимыми, а в иных случаях устройство содержит элементы временной задержки, поэтому при изучении такого рода систем вполне оправдан робастный подход. В [7,8] даны обзоры работ по робастному управлению и трудностей, связанных с решением этой проблемы. В этих обзорах рассмотрены различные методы, применяемые для проверки робастной устойчивости. Приводится сравнительное изучение

различных критериев робастной устойчивости. Этому классу робастных систем посвящены работы российских исследователей (Ю.И. Неймарка, Б.Т. Поляка, Я.З. Цыпкина и др.)

Многие производственные процессы как объекты управления характеризуются существенным запаздыванием. Построение систем управления таких процессов затруднительно, так как наличие в объекте запаздывания приводит к сужению области устойчивости замкнутой системы, росту перерегулирования и колебательности. Основная сложность управления объектами с запаздыванием заключается в том, что при замыкании объекта регулятором передаточные функции звеньев запаздывания попадают в знаменатель замкнутой системы, что может вызвать ее неустойчивость даже при небольших коэффициентах усиления регулятора[5,6].

В [10,11] подробно изложен подход к рассмотрению проблемы робастной устойчивости, основывающийся на Б-разбиении и получены оценки робастной устойчивост�