автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Ядро системы имитационного моделирования систем управления

На правах рукописи

гз од

ЯДРО СИСТЕМЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете).

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Сотников Владимир Васильевич. Нручный консультант - кандидат технических наук, доцент Халимон Виктория Ивановна.

Официальные оппоненты.

доктор технических наук, профессор

Кашмет Владимир Васильевич, кандидат технических наук, доцент Сорокин Лев Михайлович. Ведущая организация:

АООТ «Нефтехимавтоматика - Санкт-Пеп ербург»

Защита диссертации состоится и ЮН $ 1998 года в уЗУ часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 063.25.11 в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете): 198013, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д.26 (ауд.61).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 198013, г.Санкт-Петербург, Московский пр., д.26, СПбГТИ(ТУ), Ученый Совет.

Автореферат разослан /МО 9 1998 г. Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

В.И.Халимон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), с учетом сложности проектных процедур, предполагает целесообразность предварительной проверки полученных проектных решений посредством имитационного моделирования. Обеспечение этой возможности позволяет существенно сократить временные и экономические затраты на разработку систем управления.

В рамках систем автоматизированного проектирования (САПР) АСУТП возможно создать, используя современные математические методы и вычислительную технику, имитационные модели, которые позволят проанализировать эффективность проектируемых систем управления. Данное обстоятельство определяет значимость проблемы создания систем имитационного моделирования в структуре систем автоматизации проектирования систем управления. В рамках рассматриваемой проблемы могут быть решены различные задачи, в том числе и рассматриваемая в настоящей диссертационной работе задача моделирования системы управления совместно с объектом управления.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке и созданию системы имитационного моделирования системы управления технологическим объектом, позволяющей проверять эффективность проектируемой системы управления.

Цель работы. Разработка методики построения системы имитационного моделирования систем управления технологическими объектами для проверки качества функционирования разраба. ывае-мых систем управления в процессе проектирования АСУТП.

Методы исследования. При разработке методики использовались методы математического моделирования, элементы теории построения сложных систем и современные технологии проектирования и разработки программных систем.

Научная новизна.

1. Разработана методика построения системы имитационного моделирования систем управления, позволяющая удовлетворить такие требования к пост) эенню сложных систем, как возможность адаптации к предметной области, :шращиваиия, открытость для пользователя.

2. Разработан предметно-ориентированный язык описания управляющих устройств, приборов и аппаратов ХТС.

3. Разработан критерий динамического управления модельным временем, позволяющий достичь компромисса между точностью моделирования, определяемой интервалом квантования и времеь .¡м, затрачиваемым на моделирование.

4. Разработан метод моделирования обратной реакции по расходу материального носителя между последовательно сопряженными аппаратами объекта управления.

Практическая ценность работы. Практической реализацией методики, разработанной в рамках диссертационной работы, является система имитационного моделирования, которая включает в себя, кроме моделирующего ядра, внешний интерфейс и библиотеку типовых модулей, и позволяет анализировать работу системы управления совместно с технологическим объектом на основе имитационной модели. При этом имитационная модель компонуется исследователем из типовых модулей, предоставляемых системой моделирования или разрабатываемых самостоятельно.

Ядро системы имитационного моделирования построено с выполнением требований к открытым системам и может быть использовано для построения систем имитационного моделирования заданной сложности, путем добавления пользовательских компонент. Разработанная методика построения систем имитационного моделирования систем управления может быть использована как базис для создания интегрированных комплексов проектирования и исследования систем управления технологическими объектами. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика построения системы имитационного моделирования систем управления.

2. Предметно-ориентированный язык описания управляющих устройств, приборов и аппаратов ХТС.

3. Критерий динамического управления модельным временем.

4. Метод моделирования обратной реакции по расходу материального носителя между последовательно сопряженными аппаратами объекта управления.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались на:

• конференции Школы Молодых Ученых при Международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии» (ММХ-10), Тула, 19§6.

• научно-технической конференции аспирантов СПбГТИ(ТУ), посвященной памяти М.М.Сычева, Санкт-Петербург, 1997.

ГТублнкяцин. По теме диссертационной работы опубликовано 5 работ. Материалы диссертационной работы вошли в отчет о научно-исследовательской работе по кафедре САПРиУ за 1996 год.

Структура н объем работы. Диссертации состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, содержащего 69 наименований. Основной текст изложен на 184 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 29 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обе снована актуальность работы, сформулирована цель диссертационной работы, научная новизна, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе основное внимание уделяется рассмотрению общих принципов построения систем имитационного моделирования и сравнительному анализу существующих систем.

Необходимость автоматизированного проектирования систем управления обусловлена потребностью в снижении затрат на их разработку, ускорении процесса проектирования и исключении ошибок. Одним из наиболее приемлемых способов для оценки пригодности проектных решений или необходимости их коррекции является создание имитационной модели разрабатываемой системы управления и целенаправленное экспериментирование (на имитационной модели) для получения требуемых оценок.

Для того чтобы реализовать на ЭВМ модель сложной системы, такой как система управления технологическим процессом, нужен аппарат моделирования, который в большинстве существующих универсальных алгоритмических средств программирования отсутствует или недостаточно развит, что обуславливает необходимость разработки входного предметно-ориентированного языка системы имитационного моделирования.

Существующие языки имитационного моделирования делятся на три группы, соответствующие видам имитации: для непрерывных (Динамо, CSMP), дискретных (SMPL, GASP ДИСМ, МОДИС-ВЕС, АИС, САПАС) и непрерывно-дискретных систем (DISLIN, L-A-S, CONTROL.lab, Model Vision). Проведенный анализ языков моделирования выявил их дост инства и недостатки с точки зрения моделирования систем управления технологическими объектами.

Рассмотрение системы имитационного моделирования Aspen Plus 10 (©Aspen Technplogy Inc.) позволило выявить современные тенденции построения систем имитационного моделирования ХТП.

В результате анализа рассмотренных пакетов имитационного моделнрованич, были сделаны следующие основные выводы:

• существующие пакеты не являются открытыми системами для (. го-ронних разработчиков;

• большинство пакетов используют модельное время с посюянным интервалом квантования и не дают возможности пользователю заменить алгоритм управления модельным временем на собственный, что существенно снижает способности системы моделирования в адаптации к изменениям в скорости протекания моделируемых процессов;

• моделирование обратной реакции между последовательно сопряженными модулями принципиально возможно, однако требует дополнительных действий при проектировании и является потенциальным источником ошибок, ввиду усложнения структуры исследуемой системы управления;

• не все существующие пакггы ориентированы на системы управления технологических процессов как на предметную область - а использование универсальных пакетов при проектировании системы управления зачастую очень трудоемко или даже невозможно.

Таким образом можно утверждать, что существующие языки и системы имитационного моделирования в приложении к системам управления технологическими объектами являются лчбо громоздкими с точки зрения программной реализации и требуют больших трудовых и временных затрат при проектировании, либо недостаточно эффективны при совместном моделировании системы управления и объекта управления.

В заключительной части главы произведена постановка задачи диссертационной работы и сформулированы требования к разрабатываемой системе имитационного моделирования.

Во второй главе рассматривается система, состоящая из объекта управления, который представляется ХТП или его частью, и системы управления. Основным содержанием материала главы являются: управление модельным временем, обратная реакция между звеньями в системах массообмена, особенности моделирования системы управления и влияние погрешностей перехода между непрерывной системой н дискретной моделью, между аналоговыми и дискретным величинами. Показано, что разработанный критерий управления модельным временем позволяет уменьшить наиболее существенную ошибку моделирования, вносимую дискретизацией сигналов по времени.

Осмсвной задачей, которую необходимо решить при создании системы имитационного моделирования, является разработка алгоритма управления модельным временем - метода расчета допустимого интервала квантования сигнала (дискрегизации). Алгоритмы управления модельным временем разделяют на два основных типа: событийный и пошаговый («time mapping» и «.next event»).

В данной работе используется комбинированный алгоритм управления модельным временем с приоритетом пошагового алгоритма. Изначально система работает а режиме равномерного пошагового алгоритма управления модельным временем. Однако, одним из основных условий, которым должна удовлетворять система является точность вычислений. Точность вычислений определяется в наибольшей степени одним видом погрешности - погрешностью квантования сигнала во времени, поэтому система варьирует интервал квантования, используя разработанный автором критерий, с целью удовлетворения заданной точности моделирования. Таким образом в системе проявляются черты событийного управления модельным временем.

Выбор интервала квантования сигналов связан с нахождением рационального компромисса между точностью аппроксимации исходной модели и затратами машинного времени на процесс моделирования.

Автором предложен критерий, положенный в основу системы управления модельным временем в разработанной системе имитационного моделирования: интервал квантования сигнала достаточен (достаточно мал) тогда, когда для любого 0<т<1, выполняется условие (для дискретного сигнала):

¡Ах - (Дд.-] + Ах2 )| £ q

г£><? И) Аг: =f[r + mAt]-g[T]

Ах2 = g[T + At]- /[Г + mAt] Ax = g[T + At]-g[T]

где/- дискретная функция х[Т], определяющая значение контролируемого параметра x(t) в очередной итерации, в моменты времени, некратные интервалу квантования; g - дискретная функция х[Т], определяющая значение x(t) в тактовые моменты времени; el -заданная точность моделирования; At - интервал квантования; Ах -приращение измеряемой величины.

Такой критерий обеспечивает проверку точности по результи-

рующей точке (см. рис.1). Для этого интервал квантования Д1 делится на два смехгных интервала шД1 и (1-т)Д1. После этого вычисляется изменение параметра на этих интервалах. Затем, вычисляется значение параметра при интервале квантования Д1 и проверяется рассогласование результатов, получаемых при моделировании с полным интервалом квантования и при моделировании с составляющими его последовательными отрезками времени. Если критерий не удовлетворяется, то за текущий интервал квантования принимается величина шА1 и рассмотренный критерий применяется к ней. Таким образом интервал квантования уменьшается до тех пор, пока не будегг удовлетворен рассмотренный критерий или не будет достигнут заданный исследователем минимальный интервал квантования.

Если исследуемая система на данном шаге моделирования удовлетворяет указанному критерию, то будем говорить, что выполняется условие аддитивности - то есть сумма изменений контролируемой величины на смежных отрезках времени, составляющих интервал квантования, за несколько тактов моделирования равна изменению величины на всем интервале за один такт моделирования.

Практически, удовлетворение моделируемой системой критерия аддитивности означает, что на интервале в системе не происходят никакие события, могущие привести к отклонению поведения моделируемой системы от линейной аппроксимации, что дает нам возможность полагать все процессы в системе на интервале Д1 линейными. Из этого условия также следует, что тактовые моменты модельного времени системы будут совмещаться (с заданной точностью) с событиями в моделируемой системе.

Очевидные преимущества разработанного критерия:

• критерий относительно прост в использовании, что позволяет минимизировать накладные расходы в системе имитационного моделирования на управление модельным временем;

• данный критерий безразличен к любым изменениям в поведении системы в интервале квантования, если они компенсируются в рамках заданной точности к завершению интервала квантования (как следствие этого свойства данный критерий не нарушает высокочастотной составляющей исходного сигнала и ке происходит лавинообразного падения периода дискретизации из-за высокочастотных составляющих сигнала и помех).

• критерий четко отслеживает динамизм системы - гри соблюдении этого критерия частота квантования будет обратно пропорциональна скорости протекания процесса в заданный момент времени.

Р. случае, если по каким-то причинам необходимо контролировать поведение системы в интервале между тактами необходимо использовать аналогичную схему с увеличением порядка производной от контролируемого параметра.

Для фиксатора нулевого порядка таким критерием будет условие равенства первых производных рассматриваемого параметра по времени для двух смежных интервалов моделирования (для дискретного сигнала):

Дх| Дк21 Л/] Д/21

где

Д/г = отДг Д/2 =(\-т)&

Это условие определяет требование постоянства производной на смежных интервалах моделирования. В таком виде критерий может быть использован только совместно с первым критерием (1), поскольку он определяет только равенство производных сигнала и не определяет граничных условий х(0 и х(1+тТ).

Совмещая оба критерия для дискретного сигнала получим:

(2)

Д*! тМ Дх-

Д*2

(1 - т)М 1 (Дг! + Лх-2> < £2,

где

Ах = 8[Т + АП~8[П &Х1=ДТ + тШ]-/[Т],

Ах2=/[Т+М]-/[Г + тЩ

О < /я < 1

То есть одновременное условие аддитивности значений измеряемого параметра и условие равенства производных на отрезках времени, составляющих один интервал квантования системы.

Такой критерии обеспечивает принципиально более тонкое регулирование интервал! квантования в зависимости от динамизма происходящих в системе событии и позволяет избавить систему от резонансных явлений, вызываемых возможным совпадением (или кратностью) частот квантования и высокочастотных составляющих исходного сигнала. Однако существенным недостатком такого критерия является чрезмерное занижение интервала квантования вслед-

ствие повышенной чувствительности критерия к высокочастотной составляющей исходного сигнала.

Окончательная формулировка принятого в системе крите^ ия: интервал квантования достаточен тогда, когда дня двух или более последовательных итераций, меньших интервала квантования, выполняется правило аддитивности значений контролируемых параметров и равенство с заданной точностью их производных, то есть изменение параметра на интервале Д1 равно сумме изменений на составляющих его интервалах. В данном случае это обозначает достаточное приближение нелинейных процессов к линейным.

МО

Т Т+грД1 Т+Д1

Рис. 1. Графическое представление критерия управления модельным временем

Для реализации рассматриваемого алгоритма управления модельным временем необходимо, чтобы исследователь предоставил следующие исходные данные: минимальный и максимальный интервалы квантования; точность выполнения критерия аддитивности (£]); точность совпадения производных (е2)- В работе приведены рекомендации по заданию указанных парамегров. Важно отметить,

что с увеличением значения ¿2 уменьшается реакция модельного времени на высокочастотную составляющую в моделируемой системе. При малых значениях е2 система моделирования отслеживает высокочастотную составляющую сигналов, при больших - игнорирует ее.

После алгоритма управления модельным ьременем во второй главе рассматриваются особенности моделирования объекта управления - в частности, предложенный автором метод моделирования обратной межмодульной реакции по расходу.

В реальных пооцессах имеет место так называемая обратная реалия между звеньями - когда последующее звено оказывает влияние на предыдущее. Для химико-технологических процессов наиболее существенной обратной реакцией является обратная реакция по расходу, заключающаяся з изменении принимающей способности аппарата-приемника, ограничивающей выходной поток аппарата-источника. Моделирование такой обратной реакции обычно проводится введением явной обратной св тзи, регулирующей значение выходного параметра аппарата-источника. Такой подход приводит к увеличению количества межмодульных связей, усложняет проектирование и ведет к потенциальным ошибкам при описаччи структуры моделируемой системы.

В рамках данной диссертационной работы разработан прин-ципналмю новый подход к реализации обратной реакции в системе имитационного моделирования - обратная реакция по расход)' является элементом структуры данных, которая описывает поток материальной среды между аппаратами. При угом обратная реакция (в данном случае - ограничение по расходу) становится полноправной величиной потока с одним отличием - информация в этом элементе потока передается от приемника к источнику.

Принципиальным отличием от использования явной обратной связи является использование данной величины (названной в системе Ро$$1ЫеР1о\1' - англ. «возможный поток») в программе, описывающей функционирование технологической единицы.

Поле Рста/й/еИои' передаем предылутцему аппарату значение предельного расхода, которое может принять те<<ущий аппарат.

После рассмотрения большого числа вариантов использования поля РашЛ/еЯ/тг для ограничения пока была выбрана модель добровольного огра тгчия потока. То есть аппарат-приемник выставляет в Ро.ч.иЫеПт' значение максимально возможного потока субстанции на свосм входе, а аппарат-источник должен следовать этому ограни-

чснию. Однако аппарат-приемник не должен предполагать, что требуемое значение будет удовлетворено на следующем такте моделирования. Реально это будет зависеть от длинны цепочки предшествующих аппаратов, не имеющих внутренней буферной емкости.

Далее в главе рассматриваются особенности моделирования сис.емы управления. Основная особенность реальной системы управления объектом - невозможность самостоятельно выбирать темп работы. Этот темп задается с одной стороны объектом управления * процессами, протекающими в нем), с другой стороны - техническими параметрами приборов контуре з управления. В любом режиме работы системы управления по данным, получаемым с объекта управления и заданному алгоритму управления формируется управляющее воздействие. Таким образом, возможно рассматривать систему управления как цепочку, состоящую из датчиков, преобразователей, регулирующих органов, испопнительных механизмов.

Все .фиборы цепи измерения носят пассивный характер по отношению к скорости протекания процесса и, следовательно, модельному времени. Если рассматривать разомкнутую цепь управления - например, измерение и регистрацию какого-то параметра, то, пренебрегая неизбежным воздействием исследователя (или измерительного прибора) на объект исследования, можно утверждать, что приборы рассматриваемой цепи не воздействуют на течение процесса.

С точки зрения теории регулирования датчики, преобразователи и исполнительные устройства можно полагать линейными преобразователями сигналов (если обратное не оговорено особо). Под линейностью в данном случае понимается, что выход этих приборов является функцией входа вила:

у[1]=Н'] + Ь, (4)

где и - сигнал или параметр на входе в прибор; у - сигнал или параметр на выходе прибора; к,Ь - коэффициенты преобразователя.

В работе показано, что линейный преобразователь не оказывает алняния на интервал квантования, получаемый с использованием разработанного критерия управления модельным временем. Такое свойство цепи измерения позволяет исключать, входящие в нее устройства ю списка объектов, определяющих интервал квантования, что позволяет достичь значительной экономии ресурсов системы имитационного моделирования.

Цепь управления состоит из регулятора или другого устройства, вырабатывающего управляющее воздействие, преобразователей и

исполнительного устройства. Наибольший интерес в этой цепочке представляет регулятор. Регуляторы с нелинейной характеристикой могут оказывать существенное злнянне на пнтергал квантования модельного времени. Если бы упраьляющее воздействие было передано на объект управления и учтено в том же такте работы системы имитационного моделирования, то все отклонения, вызванные нелинейностью характеристик регупчтора, автоматически учитывались бы алгоритмом управления модельным временем. Однако управляющее воздействие будет передано на объект управления лишь через несколько тактов, то есть с очевидным опозданием. Без изменения интервала квантовг'нил при моделировании системы управления это повлечет за собой серьезные нарушения точности вычислений на очередном шаге моделирования. И, поскольку цепи управления зачастую представляют собой обратные связи по отношению к объекту управления, может возникнуть лавинообразное уменьшение интервала квантования и, как спедствие - ложное срабатывание усчо-вий невозможности моделирования системы. Для разрешегчя возникающего конфликта предлагается проверять достаточность интерзала квантования для правильного моделирования регулятора и всей последующей цепи управления непосредственно до объекта управления, несмотря на пассивность цепи между регулятором и объектом управления по отчошению к модельному времени.

Далее в главе рассмотрено влияние дискретных элементов контура управления т предложена методика их моделирования, позволяющая сократить время разработки соответствующих математических моделей и предотвратить возможные ошибки при проекторе ванчи.

В заключител'.ной час1И главы рассмотрено влияние погрешностей вносимых дискретизацией сигналов во времени н погрешностей, вносимых дискретным представлением аналоговых величин.

В третьей главе рассматривается структура системы имитационного м^ мелирования систем управления, являющейся практической реализацией предложенной в диссертационной работе методики. Рассматриваются компоненты, из которых строится модель исследуемой системы управления; язык описания моделей; модели^ звание управляющих воздействий и возмущений. Описывается последовательность действий исследователя при моделировании системы управления технологическим объектом.

Разрабо.анная в рамках диссертационной работы система имитационного моделирования позволяет имитировать функциони-

рование системы управления технологическим объектом, описывая, в рамках моделируемсй технологической схемы, систему управления, объект управления и всю систему межмодульных связей. Под технологическим объектом понимается химико-технологический процесс или его часть, описанная математическими моделями функционирования отдельных элементов моделируемой системы. При этом математическая модель должна описывать функционирование элементов технологической схемы с точки зрения взаимодействия с системой управления - то есть для проведения моделирования должны быть разработаны описание конструктивных параметртв и математическая модель функционирования химико-технологических аппаратов, достаточные для адекватного представления исследуемых характеристик объекта управления и его реакции на воздействия со стороны системы управления. Модель системы управления строится из независимых модулей, описывающих функционирование приборов и аппаратов во времени, согласно математического аппарата, приведенного во второй главе. Понятие модуля обобщает в себе все значимые единицы, которые могут присутствовать на схеме технологического процесса (см.рис.2).

Математические модели должны быть представлены в виде программ на разработанном автором языке описания приборов и аппаратов, позволяющем исследователю строить математические модели с любым, наперед заданным, уровнем детализации описания.

Для описания модулей система имитационного моделирования оперирует двумя типами элементов технологической схемы: интегрированными в систему и описываемыми в виде пользовательских модулей на предметно-ориентированном языке. Алгоритмы действия интегрированных в системе имитационного моделирования технологических единиц предопределенны и являются частью системы моделирования. Это связано, с одной стороны, с тем, что все эти модули предоставляют разв1гтый экранный интерфейс и их реализация в виде программируемых пользовательских модулей затруднена, с другой стороны - с тем, что в рамках моделирования систем управления алгоритмы функционирования таких устройств как преобразователь или показывающий прибор не требуют содержательного описания и в силу этого могут бьггь реализованы в системе имитационного моделирования в виде функциональных зависимостей.

Элементы технологической схемы соединяются межмодульными связями, которые, в свою очередь, делятся на: • сигнальные связи - однонаправленные связи между модулями тех-

нологической схемы, служащие для передачи унифицированных сигналов (электрических, пневматических и т.д.); • трубопроводы - двунаправленные связи между модулями, служащие для моделирования передачи материального носителя (среды). Исследователь компонует модулируемую систему из типовых модулей, поставляемых в составе про1рэммного комплекса или разрабатываемых самостоятельно

Рис.2. Представление моделируемого процесса в снггемс имитационного моделирования

Возможность .вменения и дополнения библиотеки модулей позволяет исследователю строить модели собственных приборов и аппаратов и добавлять их к основной библиотеке.

Элементы технологическое схемы, описываемые внешним.I (пользовательскими) модулями представляются в чиде совокупности следующих компонент (см рис.3):

• программы, построенной согласно математической модели функционирования данной технологической единицы;

• описания внешних связей;

® технологических параметров (констант), о^исыьаюших конструктивные особенности данной технологи1- -кой единицы,

• задаваемых пользователем параметров, специфичных для данно'/о эксперимента;

• графического образа, отражающего технологическую единицу в интерфейсе пользователя.

Далее з главе рассматриваются виды структурных единиц, которые мог\т быть использованы при описании моделируемых техно-

лзгических схем. Рассмотрен разработанный автором предметно-ориентироьанный язы: описания пользовательских модулей. Рассмотрены принципы моделирования внешних воздействий, позволяющие моделировать внешние управляющие воздействия и возмущения, которые накладываются на конкретные физические величины технологического процесса. Каждое воздействие характеризуется набором параметров, позволяющих описать их роздействие на заданную физическую величину технологического процесса в ходе имитационного эксперимента. После задания исследователем '. ипа и параметров воздействия всю работу по его ..юделированию осуществляет специальный компонент системы имитационного моделирования.

Исследователь, проводящий имитацноиний экспернмагт

Рнс.З. Структура пользовательского модуля

В заключительной части главы рассматривается процесс интерактивного моделирования, проводимый исследователем во взаимодействии с ядром системы имитационного моделирования.

В четвертой главе рассматривается реализация описанной в предыдущих глазах системы имитационного моделирования систем управления. Рассматривается реализация ядра системы моделирования, основных компонент системы и функционирование системы в процессе имитационного экспершиента.

Разработанное в рамках диссертационной работы ядро системы имитационного моделирован;!я систем управления является основой построения системы имитационного моделирования, ¡суда так же входят интерфейс пользователя и библиотека чиповых модулей, описывающих функционирование приборов и аппаратов технологических схем. Подбор модулей, описывающих приборы и аппараты технологической схемы и системы управления, для формирования моделируемой системы ведется исследователем в пользовательском интерфейсе, который посредством внешнего программного интерфейса передает необходимую информацию ядру системы имитационного моделирования.

Ядро системы имитационного моделирования, построено на базе многозадачной оболочки-интерпретатора. В основе разработанного ядра системы моделирования лежит микроядро, выполняющее роль диспетчера внутрисистемных связей. Микроядро контролирует взаимодействие компонент, которые составляю-, ядро системы имитационного моделирования.

Принципиальная схема ядра системы имитационного моделирования представлена на рис 4. Ядро системы распадается на не1 сколько логически независимых компонент. При этом подразумевается именно логическая независимость - каждый компонент выполняет свою задачу, но при этом их работа друг без друга невозможна.

Все компоненты системы имитационного Моделирования представляются в вале модулей динамически компонуемых библиотек (DLL), что дает возможность микроядру свободно подгружать их при запуске системы. Такой подход обеспечивает пользователю во: мо-'ность замещения любого ксмпонента системы имитационно) о моделирования даже после того, как она передан? конечному пользователю в виде исполняемых модулей.

Система' включает специальный интерфейс встраиваемых модулей, который позволяет динамически подключать пользовательские моду..и, написанные на любом языке программирования ч выполняющие требования интерфейса по протокол-/ взаимодействия. То есть ядро системы заранее не имеет никакой информации о конкретных встраиваемых модулях. Для подключения к системе кажДмй модуль проходит процедуру регистрации при каждом запуске программы. Процедура регистоации модуля в системе позволяет ему получать управление в любой га заранее предусмотренных моментов времени в хо«о имитационного эксперимента. Интерфейс доступа к данным позволяет пользовательскому модулю получить полный дос-

туп к информации о моделируемом процессе. В частности, модуль, отвечающей за моделирование работы трубопроводов и сигнальных связей реализован именно как встраиваемый модуль и подключается динамически при инициализации системы.

Рис. 4. Структура сисгсмы имитационною моделирования

Таким образом, система имеет четыре уровня интерфейса пользователя: составление схемы из готовых модулей (аппаратов, приборов и т.д.); написание собственных модулей; написание дополнительных компонент системы; замещение компонент ядра системы. Далее в главе подробно рассматриваются:

• реализация интерпретатора предметно-ориентированного языка описания пользовательских модулей;

• компоновщик схемы моделируемого процесса;

• внешний прикладной программный интерфейс, обеспечивающий взаимодействие с пользовательским интерфейсом:

• компонент моделирования внешних воздействий.

В заключительной части главы рассматривается функционирование ядра системы имитационного моделирования в ходе имитационного эксперимента.

В пятой главе рассматривается использование построенной системы имитационного моделирования при разработке системы управления процессом получения органического удобрения из уротропина.

- 1У-

Произведена разработка упрощенных моделей объемного дозатора, теплообменника, смеситепя, нитратора, ьентиля, позиционного регулятора, разработан регулятор для управления технологическими параметрами нитрования. Всг* модели техпс югических аппаратов выполнены с точки зрения взаимодействия с системой управления и моделируют только ключевые параметры аппаратов, необходимые для моделирования отклика на сигналы системы управления. Однако, исследователь, используя возможности разработанного языка описания математических моделей, может производить описание аппаратов на требуемом в условиях конкретчой задачи уровне детализации.

Разработана и промоделирована работа систем управления: охлаждением подаваемых кислот, охлаждением кислотной смеси в смесителе и поддержания регламентной температуры в шгтраторе; поддержанием регламентной концентрации целевого компонента на выходе из нитратора; поддержанием уровня шпросмеси в нитраторе.

выводы

1. С целью проверки эффективности разрабатываемых систем' управления при автоматизированном проектировании АСУТП разработана методика построения системы имитационного моделирова-' ния систем управления технолигическими объектами.

2. Создано ядро системы имитационного моделирования, предел, зляющее собой базис для построения программных комплексов моделирования систем управления технологическими объемами, использующее технологии встраиваемых модулей и замещения компонент ядра системы моделирования.

3. Разработан и реал из* ван предметно-ориентированный язык описания управляющих устройств, приборов и аппаратов ХТС, позволяющий существенно сократить время программирования математических моделей систем управления и объекта управления.

4. Ргзработан критерий динамического управления модельном временем, позволяющий дгости«*» компромисса между точностью моделирования, определяемой интервалом квантования и временем, затрачиваемым на моделирование.

5. Предложен и реализован метод модглировагия обратной р "акции по расходу материального носителя между последовательно сопряженными аппаратами объекта управления, позволяющей повысить точности моделирования материального баланса в объекте управления.

-206. Разработан пользовательский интерфейс, позволяющий использовать ядро системы имитационного моделирования для работы в интерактивном режиме при моделировании систем управления.

7. Работа системы имитационного моделирования проверена на примере системы управления процессом нитрования, являющегося стад'(ей процесса получения органического удобрения из уротропина. Разработаны математические модели устройств управления, приборов и аппаратов рассмотренной технологической схемы.

П /БЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ .

1. Халимон В.И., Тенишев Д.Ш., Мач Д.П. Моделирование системы управления технологическим процессом в рамках САПР АСУТП. // Школа Молодых Ученых при Международной конференции Математические методы в химии и химической технологии (ММХ-10): Тез. докл. - Тула, 1996. - с.79.

2. Использование графовых моделей при проектировании систем управления дискретно-непрерывными процессами. / Сотников В В., Макарова Л.Ф., Тенишев Д.Ш., Рогов А.Ю. // Школа Молодых Ученых при Международной конференции Математические методы в химии и химической технологии (ММХ-10) : Тез. докл. - Тула,

1996. -с.72.

3. Халимон В.И., Тенишев Д.Ш., Мач Д.П. Автоматизированная система моделирования технологического процесса и систем управления в рамках САПР АСУТП // Научно-техническая конференция аспирантов СПбГТИ(ТУ), посвященная памяти М.М.Сычева: Тез. докл. - СПб., 1997. - 4.2. - с. 149.

4. Система имитационного моделирования систем управления в рамках САПР АСУТП. / Сотников В В., Халимон В.И., Тенишев Д.111., Мач Д.П. // XI Международная конференция молодых ученых по химии и химической технологии (МКХТ-97): Тез. докл. - М.,

1997. - с. 20.

5. Халимон В И., Марьин П.В., Тенишев Д.Ш. Пользовательский интерфейс модуля экспертной системы. // XI Международная конференция молодых ученых по химии и химической технологии (МКХТ-97): Тез. докл. - М., 1997. - с. 21.

20.05.98г. Зак.67-60. РТП ИК'СИНТЕЗ