С повышением уровня производства, в условиях оптимального использования ресурсов актуальным становится использование автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), позволяющее существенно повысить эффективность различных технологических процессов.
В состав современной АСУТП [41] входят следующие компоненты:
• автоматизированное рабочее место (АРМ);
• система сбора данных и передачи управления;
• датчики физических величин;
• исполнительные устройства.
АРМ представляет собой один или несколько персональных компьютеров (ПК) с соответствующим программным обеспечением (ПО). В качестве примера, можно привести ПО «Trace Mode» известной московской фирмы AD ASTRA [7]. Система сбора данных и передачи сигналов управления в свою очередь — это какое-либо микропроцессорное устройство (МПУ) или микроЭВМ. МПУ обычно содержит в себе следующие функциональные блоки: АЦП, ЦАП, дискретные входные и выходные каналы и средства связи с АРМ. В качестве примеров МПУ, используемых в промышленности, можно назвать Ремиконт, Ломиконт, ADAM, ControlLogix, PC-100 и др.
Микропроцессорное устройство [42] может иметь собственные устройства ввода-вывода и индикации измеряемых параметров и их уставок, а также внутренний программируемый блок принятия решений для локального технологического процесса. Такое МЕТУ может функционировать самостоятельно, без участия АРМ. Следует отметить, что МПУ может получать одни сигналы управления от АРМ, другие формировать в рамках собственного блока принятия решений. Обычно — одно МПУ обслуживает один или несколько объектов управления.
Объекты управления могут быть статическими и динамическими. МПУ совместно с динамическим: объектом управления (ОУ) представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования (САР). К замкнутым GAP можно отнести системы поддержания температуры в термокамерах [22], давления в паровых котлах, уровня воды в резервуарах и др.
Программу, реализующую алгоритм управления технологическим процессом, можно составить на различных языках программирования. В традиционных SCADA-системах предусмотрены два языка: Техно FBD и Техно IL. Они реализуют стандарт МЭК-1131, созданный для АСУТП. Подпрограмма модели регулятора может быть реализована на языке ассемблера, на языке, функциональных FBDблоков или на языке IL-инструкций.
Язык Техно FBD предназначен для разработки алгоритмов в виде диаграмм функциональных блоков, подобно программному пакету «SimuLink», входящему в состав ПО «MathLab». Программы на Техно IL записываются как последовательность, инструкций. Этот язык позволяет программировать функциональные блоки для языка Техно FBD и создавать метапрограммы.
Набор инструкций, включенных в языки Техно FBD и Техно IL, представляет собой библиотеку подпрограмм для формирования алгоритма регулирования [39], а именно: элементы алгебры логики, интеграторы, дифференциаторы, линии задержки и др., выполняющие основные математические функции. Для создания алгоритма регулирования в инструкциях языка Техно FBD имеются модули, реализующие известные законы регулирования динамическими объектами управления, такие, как ПИ, ПИД, ПДД и ПИДД [41].
В процессе разработки регуляторов можно пользоваться готовой SCADA-системой, в которой реализованы различные упомянутые выше языки программирования моделей регуляторов. Такая SCADA-система, как «TRACE MODE5» позволяет:
• конструировать алгоритмы, описывающие модели систем регулирования;
• выполнять моделирование в реальном времени;
• исследовать работу полученной модели регулятора на реально действующем объекте управления (ОУ).
Однако имеется существенный недостаток: моделирование может проходить только в реальном времени, поэтому интервал времени для получения переходных и импульсных процессов очень велик. Для быстрого получения результатов, очень удобно использовать систему «SimuLink», предназначенную для визуального проектирования1 моделей и алгоритмов управления. В систему входят графический редактор, компиляторы известных языков программирования, модули для отображения и архивирования полученных результатов и многое другое. При этоминтервал времени пересчета результатов моделирования очень мал, что позволяет быстро получать результаты эксперимента. Однако в базовом наборе ПО2 «MathLab» отсутствует возможность подключения реальных ОУ к системе регулирования на базе моделей «SimuLink». Автоматизированный комплекс для исследования автоматических регуляторов (АКИАР), который представлен в диссертации, содержит необходимый функциональный набор для проектирования системрегулирования динамическими объектами. Он позволяет исследовать работу модели регулятора на реальном ОУ и быстро, подобно «SimuLink», получать результаты пересчета параметров системы управления.
Представленная диссертация посвящена проблеме разработки цифровых математических моделей регуляторов динамическими объектами управления для АСУТП и созданию автономного регулятора, совместимого с программным обеспечением для АСУТП. В работе также рассматриваются задачи синтеза адаптивных цифровых регуляторов. Реализованы цифровые модели регуляторов, используя известные модели их аналоговых реализаций, применяемых в промышленности, а также их адаптивные модели, взятые из учебной литературы и периодических научных изданий.
Состояниепроблемы. В современных АСУТП имеются готовые FBD-модули, реализующие известные законы регулирования замкнутыми системами автоматического регулирования. Однако САР, построенная на базе этих модулей, способна эффективно работать только с простыми динамическими ОУ. Практика показывает, что использование этих FBD-модулей со сложными динамическими ОУ, характеризующимися большой инерционностью и непостоянством параметров в процессе функционирования, оказывается мало эффективным и в условиях запаздывания сигналов управления и шумовых воздействий на датчик физических величин. Так, например, при наличии шумового воздействия на датчики физических величин и большой инерционности ОУ вычисление производной от значений измеренных сигналов оказывается невозможным. Другими словами, стандартные цифровые регуляторы, имеющие модули вычисления производной, становятся неработоспособными со сложными динамическими ОУ.
В промышленных аналоговых регуляторах прошлого поколения были предприняты попытки по решению вышеназванных проблем. В качестве примеров можно привести:
• регулятор РП-4, в котором применена изодромная цепь [4], устойчивая к воздействию шума на значения измеренных величин;
• регулятор Р-29, в котором использован принцип адаптивного регулирования с ненастраиваемой моделью основного контура [27, 28].
К настоящему времени методы по улучшению характеристик регуляторов детально проработаны. В результате появились такие методы регулирования, как:
• безидентификационные методы адаптивного управления, с переменной структурой [18], с большим, контурным усилением [43], с эталонной моделью основного контура [16,50];
• адаптивные методы: с идентификацией параметров ОУ [53], с определением оптимальной настраиваемой моделью основного контура [45] и др.
Реализация перечисленных методов на базе МГТУ сегодня не представляет сложности. Сейчас на рынке широко представлены автоматические регуляторы на базе МПУ, которые могут работать SCADA-системы: регуляторы отечественного производства ТЕПЛУР (г. Москва), РТ-99 (г. Минск) и APT (г. Москва, фирмы «ТЭМ»), а также регулятор DANFOS фирма «DANFOS», Германия). Эти регуляторы имеют много сервисных функций, но при этом в них реализуется простой метод регулирования, а именно классический ПИ-закон или просто П-закон. Работоспособность и устойчивость GAP с этими регуляторами достигается уменьшением контурного коэффициента передачи за счет увеличения времени установления переходного процесса системы автоматического регулирования.
Актуальность темы
диссертации обусловлена все возрастающей потребностью в разработке эффективных адаптивных методов управления динамическими объектами в АСУТП и локальных GAPреализованных на однокристальных микропроцессорах или на ПК. Существует два пути удовлетворения этой потребности:
• создание сложных моделей регуляторов на базе имеющихся блоков в АСУТП. Эта проблема активно обсуждается в научных изданиях, посвященных АСУТП. В [7] представлены результаты исследования одной из таких моделей адаптивного регулятора.
• создание готовых FBD-модулей. В этом случае разработчик создает подпрограмму регулятора и включает ее в базовый набор — FBD-модулей АСУТП.
Первый путь доступен для пользователей SCADA систем, но его можно реализовать в рамках FBD-библиотеки. Второй путь дает свободу выбора языка программирования и включения любых подпрограммно доступен только разработчикам регуляторов или SCADA-систем.
Остается актуальной проблема реализации созданных методов регулирования, на основе локальных регуляторов. Примером решения этой проблемы является система SoftLogic, входящая в состав программного обеспечения (ПО) Trace Mode 5. Данное решение направлено на распределенные АСУТП, где регулятор представляет собой микроконтроллер, работающий совместно с терминалом или ПК в качестве устройства ввода, вывода и визуального контроля. Очевидно, такой регулятор не может быть локальнымСуществует система Lab View, которая имеет в своем составе оборудование и ПО, что позволяет выполнять исследование САР как на моделях, так и на технологическом ОУ. В обоих случаях требуется использование контроллера совместно с ПК или терминалом, что существенно удорожает САР. Возможно, но неоправданно использовать такие системы для решения следующих задач:
• управления теплопотреблением жилого или производственного помещения;
• регулирования технологических параметров небольших котельных установок;
• управления центральными тепловыми пунктами распределения;
• управления удаленными нефтеперекачивающими станциями. Учитывая отмеченное выше, можно подчеркнуть две существующие проблемы в создании САР на основе однокристальных контроллеров:
4. потребность в развитии концепции автоматизированного проектирования локальных САР;
5. создание эффективных методов регулирования, удовлетворяющих предъявляемым к ним требованиям и реализующие имеющиеся возможности современных однокристальных контроллеров.
Цель диссертации заключается в следующем:
Создание АКИАР и совместимого с ним промышленного регулятора, которые позволяют повысить эффективность разработки и модернизацииСАР путем совершенствования методов автоматизированного проектирования и реализации локальных САР, базирующихся на современных возможностях вычислительной техники и учитывающих ограничения, которые связанны с применением однокристальных контроллеров.
Задачи исследования: Для реализации указанной выше целив диссертации сформулированы и решены следующие исследовательские задачи:
• исследования известных адаптивных методов регулирования для теплоэнергетических объектов и их реализация в виде функциональных модулей и прикладных программ;
• создания и исследования новых методов адаптивного управления на базе целочисленной арифметики;
• разработки и реализации новых подходов к созданию адаптивных САР, а именно: создание технологии реализации исследуемых методов регулирования на основе однокристальных контроллеров, в которой предложена и внедрена концепция использования скриптпроцессора
• создания и внедрения промышленного регулятора с применением технологии, которая реализована в АКИАР.
Для решения поставленных научных задач создан АКИАР, базирующийся на современных средствах вычислительной техники и содержащий полный функциональный набор, необходимый для проектирования и моделирования адаптивных регуляторов теплоэнергетических процессов. При создании АКИАР решены следующие технические задачи:
• разработки аппаратной части интерфейса связи персонального компьютера с объектом управления или реальным образцом регулятора;
• создания драйвера для управления периферийным оборудованием;
• создания объектно-ориентированной программы-оболочки АКИАР, которая реализует эффективный диалог пользователя с компьютером;
• разработки программ для анализа результатов экспериментов и параметров качества регулирования;
• построения программ, реализующих различные методы регулирования;
• создания лабораторного комплекса для автоматизации систем научных исследований методов автоматического регулирования на базе АКИАР, который позволяет эффективно проектировать и исследовать модели регуляторов, а также выполнять эксперименты на действующем объекте управления.
Методы исследования:
В работе использовались методы математического анализа, теории обыкновенных дифференциальных уравнений, преобразований Фурье и
Лапласа, теории вероятностей и математической статистики, атакже методов оптимального [27, 31] и адаптивного управления [52] и методов математического моделирования, опирающихся на теорию дискретных систем автоматического регулирования [20]. Выполнение экспериментов по исследованию реализованных методов регулирования на разработанном в диссертации ¦ АКИАР. Изучение справочных данных о микроконтроллерах, а также другой информации о производственных технологических процессах. Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Концепция, структура, функциональная схема и программное обеспечение АКИАР, являющиеся средствами программного и технического обеспечения, повышающее эффективность разработки и реализации САР:
2. Методика применения АКИАР в решении задач проектирования и исследования адаптивных регуляторов теплоэнергетических процессов.
3. Методики проектирования адаптивных регуляторов, базирующиеся на использовании эталонной модели регулируемого теплоэнергетического процесса и USWO-регулятора.
Научная новизна результатов работы заключается в том, что впервые:
• предложена технология реализации методов регулирования, которая основана на использовании виртуального скриптпроцессора. Предложенная технология позволяет автоматизировать этапы проектирования, связанные с созданием образцов регуляторов, созданных на основе исследуемого метода регулирования.
• предложен и реализован метод адаптивного управления на основе настраиваемой эталонной модели САР.
• предложена универсальная модель динамического ОУ, позволяющая определять астатизм ОУ, порядок передаточной функции, описывающей объект, и ее параметры.
• предложен и реализован метод адаптации параметров регулирования USWO-регулятора с вспомогательной моделью.
Практическая ценность. Использование АКИАР в автоматизированном проектировании регуляторов позволяет эффективно создавать модели САР, строить характеристики ОУ в процессе их работы и создавать их математические модели регулятора. АКИАР является эффективным инструментом проектировщика для создания САР различной степени сложности.
Комплекс удобен для применения как в решении исследовательских задачах, так и в процессе обучения студентов предметам: автоматика, автоматизированные системы управления, адаптивные системы регулирования и т. д.
С помощью АКИАР реализуется подход к созданию микропроцессорных регуляторов на основе целочисленной арифметики, что позволяет существенно сократить требования к объему памяти и быстродействию используемого микроконтроллера.
Реализация результатов
• Создано аппаратное и программное обеспечение АКИАР, позволяющее выполнять научные исследования методов регулирования.
• Реализован нелинейный USWO-метод регулирования температуры в термокамерах со значительным временем транспортного запаздывания ОУ.
• Организовано серийное производство регулятора для систем отопления жилых и производственных помещений на базе адаптивного регулятора USWO-типа. К настоящему времени изготовлено и установлено на объектах более 50 регуляторов.
• На основе регуляторов РТ-22а и ВЭСТ-01.2 создана система постадаптации, предназначенная для поддержки проведения научных экспериментов на реальных объектах управления.
Сущность излагаемых в работе результатов состоит:
— в создании алгоритмов регулирования, использующих возможности и особенности однокристальных микропроцессоров;
— в создании программ, реализующих методы регулирования, используя возможности АСУТП и языки Техно-FBD и Техно-IL, входящих в системы проектирования АСУТП;
— в исследование переходных процессов САР, построенных на базе этих моделей.
Публикации. По материалам, представленным в диссертации, опубликовано 11 статей, а также сделано 6 докладов на областных, российских и международных научных конференциях.
На защиту выносятся следующие положения:
• автоматизированный комплекс исследований автоматических регуляторов, включающий устройства сопряжения с датчиками и исполнительными устройствами, а также программное обеспечение комплекса;
• новые методы проектирования автоматических регуляторов на основе АКИАР, повышающие эффективность разработки и модернизации локальных АСУ;
• адаптивные и неадаптивные методы регулирования, полученные путем исследования алгоритмов регулирования;
• использование методов постадаптации для целей проектирования адаптивных регуляторов;
• использование системы диспетчеризации регуляторов, находящихся, непосредственно в технологическом процессе, для реализации автоматизированной постадаптации, а также для получения данных о параметрах и переходных процессах.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и содержит 151 страницу основного текста, 73 рисунка и 22 таблицы.
Заключение
В процессе работы над диссертацией исследованы различные методы автоматического регулирования, а также адаптивные методы регулирования. Основное внимание уделялось динамическим системам управления технологических процессов, в которых возможно использовать однокристальные, дешевые ЭВМ.
При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты
1. Предложена концепция использования виртуального скриптпроцессора, реализованного на базе ПК и на базе однокристального микроконтроллера для целей моделирования. Полученный метод автоматизированного проектирования реализован в АКИАР, что позволилоповысить эффективность разработки регуляторов.
2. Исследованы переходные процессы известных законов регулирования таких как: ПИД-регулятор и USWO-регулятор. Предложены, реализованы и исследованы модифицированные методы регулирования: USWO-регулятор с предупреждением запаздывания, с переменной структурой, с эталонной моделью, а также ПИД-регулятор с оптимальной настраиваемой моделью.
В процессе моделирования найдены удачные методы регулирования. Например, USWO-регулятор с предупреждением транспортного запаздывания. Несмотря на плохую — устойчивость к шумовым воздействиям на ОУ, регулятор удобно использовать для ОУ с большим транспортным запаздыванием.
По результатам исследования настроенных регуляторов выбраны два из них для реализации идентификационных методов адаптации. Первыйрегулятор на основе ПИ-закона регулирования, второй — USWO-регулятор с нелинейной моделью основного контура. Эти регуляторы способны работать при повышенном шумовом воздействии на ОУ, а также при использовании датчиков физических величин с малой дискретностью АЦП. Регулятор на базе нелинейной модели основного контура был реализован и запущен в серийное производство на предприятиях ООО «КОНТО» и ООО НПО «ВЭСТ».
Регуляторы РТ-22а и ВЭСТ-01.2 используются для систем управления теплопотреблением жилых и производственных помещений. Имеют ряд дополнительных сервисных функций для сбора, приема и передачи данных, удаленной настройки параметров регулирования. РТ-22а и ВЭСТ-01.2 являютсяне только регуляторами с современными возможностями автоматизированной настройки, но и с удобным инструментом для" проведения исследований процессов адаптации. Регулятор ВЭСТ-01.2 стал основой для исследований процессов автоматического регулирования. На базе регулятора ВЭСТ-01.2 исследованы процессы постадаптации по переходному процессу, описанные в разделе 3.7.
Проведены исследованияна различных действующих динамических объектах управления и подтверждены актами внедрения (приложение 2). Так, например, регулятор РТ-22а испытан в течение отопительного сезона-на более чем 30 объектах управления теплопотреблением жилых и производственных помещений. Результаты статистики теплопотребления зданий до внедрения системы регулирования и после внедрения подтвердили факт снижения теплопотребления в среднем на 30%. В денежном представлении^ экономия на теплопотреблении жилого 80 квартирного дома составляет 20 тыс. руб. в месяц зимнего периода. Если пересчитать, экономию от внедрения регулятора на 30 объектах в течение отопительного сезона, то она составит более трех миллионов рублей.
Регулятор РТ22а и ВЭСТ-01.2 испытан в системе регулирования температуры горячего водоснабжения. Данный объект характеризуется наличием большого уровня шумового воздействия на систему регулирования. Регуляторы установлены более чем на 5 таких объектах и удовлетворяют техническим требованиям к системам регулирования температуры.
Регулятор испытан на объекте управления с большим временем транспортного запаздывания. Таким объектом является система управления теплопотреблением «Областного сельскохозяйственного торгового дома» ОГУП г. Томск. Время транспортного запаздывания составляло более 30 минут. В таких условиях невозможно было добиться устойчивости системы управления при использовании промышленного регулятора АРТ-01. После замены регулятором РТ22а, систему удалось настроить. Также была исследована работа регулятора РТ22а в системе вентиляции зданий. Система признана работоспособной.
Структура программного обеспечения регулятора ВЭСТ-01.2 стала основой модернизации АКИАР. Таким образом, появилась новая версия АКИАР. Комплекс представляет собой визуальную систему разработки автоматических регуляторов на базе целочисленной арифметики. В качестве аппаратного обеспечения АКИАР используется тот же регулятор ВЭСТ-01.2 совместно с персональным компьютером. Такая система может стать основой для выполнения лабораторных и научно исследовательских работ в рамках учебного процесса.
Работы, выполненные в рамках данной диссертации, имеют перспективы дальнейшего развития, например следующие.
• Исследования переходных процессов реальных технологических ОУ.
• Разработка регуляторов давления, уровня воды в котлах, влажности и других физических величин, а также получение переходных процессов для исследования.
• Лабораторный комплекс для исследований процессов адаптации в замкнутых системах автоматического регулирования.
Разработанное программное обеспечение зарегистрировано в реестре программ Российской федерации, получено свидетельство о: регистрации. Разработка и внедрение регулятора, а также программа диспетчеризации и управления системами! теплопотребления отмечены дипломом конкурса «Сибирские афины». Программа диспетчеризации и управления системами теплопотребления отмечена золотой медалью отборочного этапа межрегионального конкурса «Лучшие товары и услуги СИБИРИ — ГЕММА 2003» по Томской области (приложение 2).
Предложенная структура регулятора ВЭСТ-01.2. может стать основой универсального подхода к проектированию систем управления технологическим процессами. Имеется пакет программ, созданный по заказу НПО «ВЭСТ», который позволяет быстро и эффективно проектировать различные системы регулирования на базе регулятора ВЭСТ-01.2
