Синтез оптимальных алгоритмов упрваления промышленными электроприводами в условиях неконтролируемых возмущающих воздействий

Актуальность работы. В автоматических системах регулирования современной отечественной промышленности, несмотря на увеличение объемов использования программируемых логических контроллеров (ПЛК), основными регуляторами остаются ПИД-регуляторы [16−19,44,62,64−66]. Подавляющее большинство единичных объектов и технологических линий, содержат регуляторы, реализующие ПИД-алгоритмы с помощью микропроцессорной техники, с использованием современных ПЛК, или аналоговые регуляторы.

Между тем повсеместное использование микропроцессорной техники, привело к революционным изменениям в сфере промышленных систем автоматизации. За последние 20−30 лет произошло резкое увеличение скорости обработки информации, объема памяти, требований к надежности, удобства программирования. Несмотря на высокие достижения в программно-аппаратном обеспечении промышленных систем автоматизации, алгоритмическое обеспечение практически осталось без изменения.

На практике, значения коэффициентов ПИД-регулятора часто определяются эмпирически, путем перебора различных вариантов. Это приводит к увеличению сроков проектирования, наладки и ввода в эксплуатацию технологического оборудования. При этом управляющие алгоритмы различных производителей не имеют существенных различий в программно-аппаратной реализации, полученная система управления не всегда может обеспечить требуемые показатели качества.

ПИД-регулятор представляет собой регулятор с жестко заданной структурой, на основе которого, можно реализовать регулятор максимум — второго порядка. Существует много объектов, которые не могут быть стабилизированы никаким ПИД-регулятором. В этом случае используют различные комбинации ПИД-регуляторов (например, каскадное регулирование). Такой регулятор не подходит для регулирования более сложных объектов, не обеспечивает робаст-ности.

Регулирующие и управляемые сигналы на реальном объекте имеют различные виды помех: вибрации, передающие механические колебания на чувствительные элементы датчиковэлектрические помехи. Помехи носят случайный характер и ПИД-регуляторы не способны их учитывать.

Помимо различных случайных помех, на реальный объект действуют факторы (износ механизмов, попадание продуктов производства на рабочие органы и др.), приводящие к изменению параметров объекта относительно первоначальных значений в некотором диапазоне. Таким образом, объект может иметь интервальную динамическую характеристику, что, в совокупности со случайными помехами, требует применения стохастических подходов для решения задачи проектирования регулятора.

Следует отметить, что вопросам исследования линейных интервальных динамических систем посвящено множество работ [72−74], большинство из которых является развитием результатов, полученных Харитоновым в области исследования устойчивости интервальных характеристических полиномов. В работе [74] решена проблема обеспечения наилучшего качества управления с учетом интервальной неопределенности линейного непрерывного объекта управления.

В работах [76−79] представлены энерго и ресурсосберегающие технические решения при использовании промышленных электроприводов в различных практических приложениях. Рассмотрены принципы построения моделей объекта и методы синтеза цифровых регуляторов внешних контуров электропривода. Отмечено, что одним из направлений снижения энергопотребления асинхронными электроприводами, связано с изменением технологического процесса путем перехода к более совершенным способам регулирования электропривода и параметров технологического процесса. Представлены основные результаты и перспективные проблемы разработки и исследования цифровых систем управления электроприводами, среди которых можно отметить проблему разработки методов синтеза робастных регуляторов технологических процессов, эффективных в условиях структурной и параметрической неопределенности описания объекта управления. Таким образом, в области разработки систем управления электроприводом технологического объекта возникает ряд вопросов и связанных с ними проблем теоретического и прикладного характера, для решения которых необходимо проведение соответствующих исследований.

Темой диссертации был выбран синтез оптимальных алгоритмов управления промышленными электроприводами в условиях неконтролируемых возмущающих воздействий. Использование теории оптимальной фильтрации и управления в совокупности с современными средствами моделирования позволяют исследовать объект управления при наличии случайных возмущающих воздействий и шумов измерения, рассчитывать систему управления, а также широко использовать в промышленных приложениях.

Таким образом, исследования, направленные на разработку высокоэффективных и надежных методов проектирования систем управления электроприводами технологических объектов, функционирующих в условиях неконтролируемых возмущающих воздействий и имеющих интервальную динамическую характеристику, являются актуальными.

Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной темы «Исследование и развитие методов проектирования и моделирования электромеханических систем» и научного направления «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы» (ГБ 2005.11.0120.505 534).

Цель работы. Разработка оптимальных алгоритмов управления промышленными электроприводами в условиях неконтролируемых возмущающих воздействий шума измерений на основе теории оптимальной фильтрации и управления.

Задачи работы:

— проанализировать современное состояние систем управления электроприводами технологических объектов;

— разработать методику оценки критерия качества оптимальных алгоритмов управления для дискретных линейных интервальных динамических систем;

— разработать инженерную методику синтеза оптимальных алгоритмов управления промышленными электроприводами в условиях неконтролируемых возмущающих воздействий и шума измерений;

— реализовать оптимальный алгоритм управления электроприводом в виде программных модулей в ПЛК, на основе разработанной инженерной методики синтеза оптимальных алгоритмов управления.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории автоматического управления, методы теории электропривода, методы математического моделирования динамических процессов на ЭВМ с использованием численных методов решения.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

— получена оценка критерия качества стохастического оптимального алгоритма управления для дискретной линейной системы в случае интервальной неопределенности динамических параметров объекта управления;

— разработана методика оценки критерия качества стохастического дискретного оптимального алгоритма управления в условиях неконтролируемых возмущающих воздействий оказываемых на вектор состояния объекта управления;

— исследована и получена оценка критерия качества стохастического оптимального алгоритма управления для дискретной линейной динамической системы в условиях неконтролируемых случайного шума измерений регулируемой величины объекта управления.

Практическая значимость работы:

— разработана инженерная методика синтеза оптимального алгоритма управления для промышленных электроприводов, функционирующих в условиях интервальной неопределенности динамических характеристик, неконтролируемых возмущающих воздействий и шума измерений;

— разработана методика оценки критерия качества оптимальных алгоритмов управления промышленными электроприводами в условиях интервальной неопределенности динамических характеристик, неконтролируемых возмущающих воздействий и шума измерений;

— на основе изложенной в работе инженерной методики синтеза оптимального алгоритма, разработана и реализована система управления промышленным электроприводом двухагрегатного ленточного дозатора, работающего в условиях неопределенности динамических характеристик процесса дозирования, неконтролируемых возмущающих воздействий, вызванных неоднородностью свойств дозируемых компонентом и шума измерений, являющегося следствием жестких промышленных условий, в которых функционирует измерительная система ленточного дозатора.

Достоверность полученных результатов. Достоверность подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических исследований с результатами математического моделирования с погрешностью не более 5%, а также математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью полученных результатов с положениями общей теории автоматического управления.

Реализация и внедрение результатов работы.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы использованы:

— при разработке АСУТП смесительного отделения производства силикатной массы ЗАО «Воронежский комбинат строительных материалов»;

— при разработке АСУТП дозирования комовых связующих при подготовке шихты производства окатышей ОАО «Лебединский горно-обогатительный комбинат».

На защиту выносятся:

— инженерная методика синтеза оптимальных алгоритмов управления промышленным электроприводом в условиях неконтролируемых возмущающих воздействий и шума измерений;

— методика оценки критерия качества оптимального алгоритма управления для дискретных линейных интервальных динамических систем;

— методика оценки критерия качества оптимального алгоритма управления при изменении параметров стохастических характеристик, воздействующих на объект;

— разработанная на основе инженерной методики синтеза оптимального алгоритма управления и реализованная в виде программных модулей в ПЛК система управления электроприводом двухагрегатного ленточного дозатора, функционирующего в условиях неконтролируемых возмущающих воздействий и шума измерения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2002) — всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве НТ-2004" — всероссийской студенческой научно-технической конференции «Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники — Инженерные идеи XXI века» (Воронеж 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. В том числе 1 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в списке литературы, лично автору принадлежит: [63,67] - проанализированы возможности программного комплекса Mat-lab применительно к исследованию электромеханических систем- [62] — исследована модель электропривода ленточного дозатора- [64,66] - исследованы динамические свойства электропривода пластинчатого питателя.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 71 наименований и десяти приложений. Объем работы составляет 214 страниц, в том числе 142 страницы основного текста, 42 рисунка, 5 таблиц, список литературы из 79 наименований, 10 приложений на 65 страницах.

ВЫВОДЫ.

1. Разработаны алгоритмы, реализующие методики оптимальной фильтрации, синтеза формирующего фильтра и оптимально го управления в ПЛК.

2. Сравительный анализ экспериментальных характеристик показал, система с ПИД-регулятором не может адекватно реагировать на возмущение. При этом относительные колебания напряжения тензодатчика в процессе работы составляют (10 — 15)%, что приводит к снижению точности дозирования и, как следствие, ухудшению технологических показателей.

3. Реализация методов теории оптимальной фильтрации Калмана и оптимального управления, на стенде, применительно к двухагрегатному ленточном дозатору, показала адекватность разработанной системы управления и практическую реализуемость.

4. Рассмотрены возможные области применения алгоритмов теории оптимальной фильтрации Калмана и оптимального управления применительно к промышленным объектам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Материалы диссертации позволяют сформулировать следующие выводы и практические рекомендации.

1. В результате анализа современного состояния промышленных систем управления выявлена необходимость реализации методов теории оптимальной фильтрации и управления применительно к электроприводам технологических объектов с интервальной динамической характеристикой, функционирующих в условиях неконтролируемых возмущающих воздействий.

2. Разработана инженерная методика синтеза оптимальных алгоритмов управления электроприводом технологического объекта в условиях неконтролируемых возмущающих воздействий и шума измерений. В соответствии с данной методикой, разработана программа расчета оптимального алгоритма управления, реализованная в среде Matlab.

3. На основе представленной инженерной методики синтеза оптимальных алгоритмов управления, разработана и реализована оптимальная стохастическая система управления электроприводом двухагрегатного ленточного дозатора в виде программных модулей в ПЛК. Проведены исследования на стенде и на реальном объекте в условиях жестких промышленных условий, характеризующихся наличием механических вибраций и электрических помех. Результаты эксперимента позволили подтвердить аналитические выводы и расчеты.

4. Разработана методика оценки критерия качества оптимальных алгоритмов управления промышленными электроприводами в условиях неконтролируемых возмущающих воздействий и шума измерений, характеризующихся интервальной неопределенностью динамических параметров объекта.

5. На основании предложенной инженерной методики синтеза оптимальных алгоритмов управления промышленными электроприводами, определены области ее применения в системах управления электроприводами технологических объектов. х.