close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование эффективности и развитие методов оптимизации динамики АСР тепловых объектов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ХОАНГ ВАН ВА
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ
ОПТИМИЗАЦИИ ДИНАМИКИ АСР ТЕПЛОВЫХ ОБЪЕКТОВ
Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими
процессами и производствами (по отраслям: энергетика)
Автореферат
диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2018
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертационного исследования:
Политика государства Вьетнам, принятая на XII съезде коммунистической партии,
заключается в содействии индустриализации и модернизации страны. Целью Вьетнама
является стать с помощью модернизации к 2020 году промышленно развитой страной.
Поэтому все шире используются на предприятиях и в организациях современные
технологии, программные приложения и средства автоматизации. В том числе, во Вьетнаме
заинтересованы в достижении высокой эффективности технологических процессов, что
требует
повышения
качества
управления
и
регулирования
с
целью
снижения
производственных затрат и повышения эффективности инвестиций. Для этого необходимо
внедрять более совершенные алгоритмы управления в сочетании с методами оптимизации
динамики автоматических систем регулирования (АСР) технологических процессов,
своевременно обновлять информацию об объекте управления.
Цель диссертационной работы:
повышение качества работы АСР технологических процессов, в том числе, за счет
развития и применения перспективных алгоритмов регулирования и методов расчета с
использованием комплексного подхода, предусматривающего оснащение регулирующих
контроллеров дополнительными алгоритмическими модулями, решающими актуальные
задачи получения модели объекта управления, автоматической настройки регуляторов и
оптимизации работы в режиме отработки задающего воздействия, а также за счет разработки
рекомендаций по повышению точности работы алгоритмов для круга объектов управления с
типовыми динамическими характеристиками.
Для достижения цели решается ряд задач:
- обзор применяемых алгоритмов регулирования и методов оптимизации динамики
АСР технологических процессов, выяснение перспективных решений и направлений
развития с целью применения в промышленных регулирующих контроллерах;
- анализ эффективности системы с ПИД-регулятором и предиктором Смита в
комплекте с алгоритмами автоматической настройки регуляторов (АНР) для объектов с
типовыми динамическими свойствами при возмущении по различным каналам; разработка
рекомендаций по области применения и оптимизации динамики системы при реализации
алгоритмов в регулирующих контроллерах;
- анализ эффективности метода настройки регуляторов, основанного на приближении
к субоптимальному регулятору, при использовании совместно с алгоритмом получения
модели объекта в действующей системе, с точки зрения применимости к объектам с
4
различными динамическими свойствами, разработка рекомендаций по повышению точности
метода и его реализации в регулирующих контроллерах с учетом динамики объектов;
- разработка и анализ работоспособности системы гибридной структуры с алгоритмом
максимального быстродействия (АМБ), ПИД-регулятором и алгоритмом автоматической
настройки регуляторов для различных объектов; выяснение рациональных режимов и
области практического применения АМБ, формирование рекомендаций по применению
блока прогноза при работе с объектами с запаздыванием.
Научная новизна работы
- на основании исследований, выполненных в системе с ПИД-регулятором,
предиктором Смита и модулем АНР с реализацией на промышленном контроллере, выявлен
круг объектов и условий, для которых применение системы с предиктором является
эффективным; получены зависимости для корректировки параметров системы с ПИДрегулятором и предиктором Смита с учетом динамики объектов по данным работы модуля
АНР с целью повышения качества регулирования;
- на основании исследований метода настройки регуляторов, основанного на
приближении к субоптимальному регулятору в частотной области (метода МНКприближения),
определены
области
его
применения
для
объектов
с
типовыми
динамическими свойствами; получены рабочие зависимости для однозначного определения
параметров алгоритма МНК в регулирующем контроллере по данным оценки модели
объекта при работе с ПИ и ПИД-регуляторами;
- предложена структура гибридной системы для регулирующих контроллеров, в
состав которой входят алгоритм максимального быстродействия (АМБ), ПИД-алгоритм и
модуль АНР, определены условия перехода между алгоритмами АМБ и ПИД для различных
объектов и случаев применения; определена область, когда применение АМБ является
эффективным; показано, что АМБ целесообразно включать при существенном изменении
задания и использовать его до первого переключения, чтобы исключить автоколебания в
системе, а далее следует использовать алгоритм ПИД-регулирования.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
- для создания возможности применения предиктора Смита в системах автоматизации
технологических процессов необходимо, чтобы в программном обеспечении регулирующих
контроллеров содержался алгоритм (модуль) для оперативного определения параметров
модели объекта управления в действующей системе; примером являются алгоритмы АНР-1 и
АНР-2, использованные в работе;
5
-
применение предиктора Смита в системе с ПИД-регулятором и модулем АНР
позволяет повысить качество регулирования при изменении задания и рекомендуемой
коррекции параметров регулятора по данным работы АНР.
- уточнены области применения алгоритма настройки регуляторов, основанного на
МНК-приближении к субоптимальному регулятору; получены рабочие зависимости для
однозначного
расчета
параметров
алгоритма
МНК-приближения
в
регулирующем
контроллере с учетом параметров модели объекта, получаемых по оперативным данным.
- предложенная система гибридной структуры, в которую входят ПИД-регулятор,
модуль АНР и алгоритм максимального быстродействия, позволяет повысить качество
регулирования при отработке задающего воздействия с использованием модели объекта по
данным работы АНР и рекомендаций для коэффициента прогноза.
- алгоритм максимального быстродействия целесообразно включать эпизодически при
отработке существенного изменения задания; при этом достаточно ограничиться его работой
до первого переключения, чтобы исключить автоколебания в системе, а далее следует
осуществить переход к ПИД-регулированию для стабилизации выхода объекта на заданном
значении.
Практическая значимость
- рассчитаны зависимости и получены аппроксимирующие формулы для оптимальных
значений косвенных показателей, используемых в алгоритме АНР;
- предложена структура регулирующего контроллера с предиктором Смита, в
которую, помимо предиктора и ПИД-регулятора, входит модуль АНР, выполняющий
функции определения параметров модели объекта и автоматической настройки регулятора;
выполнено тестирование предложенной системы, реализованной на базе промышленных
контроллеров Овен ПЛК и программного пакета CODESYS с применением физического
имитатора объекта, показана ее работоспособность;
- сформулированы рекомендации по коррекции параметров ПИД-регулятора,
получаемых по данным АНР, для работы с предиктором Смита с целью повышения
эффективности работы АСР для круга объектов с типовыми динамическими свойствами;
- для алгоритма настройки регуляторов, основанного на МНК-приближении к
субоптимальному регулятору в частотной области, получены рабочие зависимости для
однозначного определения в регулирующем контроллере (по данным АНР) параметров
МНК-алгоритма (частотного диапазона, постоянных времени фильтров и корректирующего
коэффициента динамической ошибки) с учетом данных о модели объекта для ряда типовых
случаев с целью повышения точности настройки АСР и расширения области применения;
6
- для систем, работа которых связана с изменением задания, предложена гибридная
структура регулирующего контроллера, в состав которой входят алгоритм максимального
быстродействия, ПИД-алгоритм и модуль АНР, выполняющий функции настройки
регулятора с определением модели объекта, которая используется также для расчета линии
переключения алгоритма максимального быстродействия; показана работоспособность
системы путем ее тестирования в среде Borland C++;
- предложено решение вопроса о режимах применения алгоритма максимального
быстродействия (АМБ) и ПИД-регулятора, предусматривающее работу АМБ до первого
переключения с последующим переходом на ПИД-регулирование; даны рекомендации по
применению прогноза для объектов с запаздыванием с учетом данных АНР.
Достоверность результатов
При исследованиях использованы модели объектов, типичных для теплоэнергетики и
теплотехники; модели получены на основании экспериментальных данных из литературных
источников или полученных автором самостоятельно. Анализ работы алгоритмов
производился с использованием промышленных контроллеров, физических имитаторов
объекта, а также симулятора, реализованного на программируемом контроллере с
физическими сигналами на входе и выходе. Достоверность результатов работы обусловлена
также корректным применением математического аппарата теории автоматического
управления и теории оптимального управления, а также применением современных
программных средств выполнения математических и инженерных расчетов.
Апробация работы и публикации:
Результаты научных исследований по теме диссертационной работы докладывались и
обсуждались на заседании кафедры АСУ ТП ФГБОУ «НИУ «МЭИ» (г. Москва, 2018 г.), на
Международной научно-практической конференции “Молодёжный форум: технические и
математические науки”, (г. Воронеж, 2015 г.), на XXVIII, XXIX и XXX Международных
научных конференциях. Математические методы в технике и технологиях ММТТ – 28 (г.
Рязань, 2015 г.), ММТТ-29 (г. Санкт-Петербург и Самара, 2016 г.), ММТТ-30 (г. СанктПетербург и Минск, 2017 г.), на XXII, XXIII и XXIV Международных научно-технических
конференциях студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика” (г.
Москва, 2016, 2017, 2018 гг.),
на Международной научно-практической конференций
Инфорино-2016 (г. Москва), на XXVII Международной научно-практической конференции
«Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты» (г. Новосибирск,
2017 г.), на IV Международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы» (г.
Томск, 2016 г.), на Двенадцатой Международной научно-технической конференций
студентов, аспирантов и молодых учёных «Энергия-2017» (г. Иваново, 2017 г.), на XII
7
Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2017
г.), на Международной
научно-технической конференций "Пром-Инжиниринг" (г.
Челябинск, 2016 г. и г. Санкт-Петербург, 2017 г.) и на Международной конференций
«Современные проблемы теплофизики и энергетики» (г. Москва, 2017 г.).
Основные положения диссертации отражены в 18-ти публикациях, две из которых - в
журналах перечня ВАК «Теплоэнергетика» (с переводом и публикацией на английском
языке) и «Новое в Российской Электроэнергетике», пять - в базе данных Scopus и Web of
science (на английском языке), остальные - в материалах докладов и тезисов международных
конференций.
Личный вклад
Автором лично решены основные задачи диссертации, в том числе: проведены
модельные исследования на экспериментальном стенде, разработаны и сформулированы
практические рекомендации, выполнены технические расчеты и получены результаты. Все
разработки, программные реализации и научные результаты, выносимые на защиту и
изложенные в тексте диссертации, получены либо автором лично, либо при его
непосредственном участии.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти основных глав, заключения, списка
использованной литературы из 99 наименований. Она содержит 110 рисунков и 44 таблицы.
Объем работы составляет 198 страниц, включая 03 приложение на 7 страницах.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы работы, сформированы цели и задачи
исследований, показаны ее научная новизна и практическая значимость.
В первой главе выполнен обзор методов настройки регуляторов, определения
характеристик объектов и повышения качества регулирования.
Рассмотрена АСР с
предиктором Смита, предложенным с целью улучшения качества регулирования в АСР с
объектами с запаздыванием. Схема предиктора Смита представлена на рис. 1, где: Wm(s) математическая модель объекта с запаздыванием; W0(s) – математическая модель объекта без
запаздывания; µ - входной сигнал предиктора
и ypr – выходной сигнал предиктора.
Для применения предиктора Смита
требуется модель объекта (рис. 1), при этом
качество работы АСР существенно зависит от
точности модели. Таким образом, модель
Рис. 1. Схема предиктора Смита
должна периодически обновляться, чтобы
8
учесть изменение свойств объекта с течением времени. Отсутствие оперативного обновления
модели объекта не позволяет в полной мере использовать возможности АСР с предиктором
Смита. В диссертации предложено решение этого вопроса.
Алгоритм оптимального по быстродействию регулирования известен как один из
случаев принципа максимума Понтрягина. Он позволяет оптимизировать переходный
процесс при изменении задания. Простейшая структура АСР с оптимальным по
быстродействию регулятором показана на рис. 2.
Рис. 2. АСР с оптимальным по быстродействию регулятором
где S - вектор заданных значений переменных состояния, Е - вектор рассогласования, X вектор переменных состояния, НП - нелинейный преобразователь, РЭ - релейный элемент,
ИУ – исполнительное устройство, σ - выход НП, u - управление, μ - выход исполнительного
устройства (воздействие на объект), y - регулируемая переменная.
При реализации алгоритма максимального быстродействия (АМБ) существует ряд
сложностей. Во-первых, для расчета линии переключения требуется модель объекта, причем
модель должна отражать текущее состояние объекта, т.е., её необходимо периодически
обновлять в процессе работы АСР. Во-вторых, для применения такой системы с объектами с
запаздыванием необходим модуль прогноза, так как линия переключения рассчитывается
для объекта без запаздывания. В-третьих, для АСР с АМБ возможно возникновение
автоколебаний в конце переходного процесса, что является недопустимым. В работе
предложены способы решения этих вопросов.
Одним из перспективных методов настройки регуляторов является метод, основанный
на приближении к субоптимальному регулятору в частотной области, который его авторы
называют беспоисковым и универсальным. Однако, для применения этого метода требуется
задавать его некоторые параметры (диапазон частот приближения, сглаживающий фильтр и
некоторые корректирующие коэффициенты). При их неудачном выборе можно получить
неустойчивую систему. В связи с этим рекомендации по выбору этих параметров нуждаются
в уточнении и дополнении для круга типовых объектов.
В обзоре показаны существующие проблемы, которые необходимо решить, чтобы
указанные методы и алгоритмы можно было внедрить на практике. Выполнен обзор
некоторых методов экспериментального определения моделей объектов, которые можно
применять, в том числе, в составе указанных систем управления.
9
В
данной
работе
в
составе
АСР
применяются
два
варианта
ускоренной
автоматической настройки регуляторов (АНР), нашедшие применение в программном
обеспечении ряда промышленных контроллеров. Первый вариант (АНР-1) основан на
определении модели объекта по его реакции на импульсное воздействие с расчетом во
временной области (по первой волне автоколебаний). Во втором варианте (АНР-2)
определение модели объекта производится по двум периодам автоколебаний частотными
методами. С помощью АНР-1 и АНР-2 рассчитываются параметры модели объекта второго
порядка с запаздыванием и параметры настройки ПИД-регулятора с фильтром второго
порядка при дифференциальной составляющей.
При расчете параметров ПИД-регулятора в этих алгоритмах применяются косвенные
частотные показатели оптимальности, являющиеся требованиями к КЧХ замкнутой АСР в
окрестностях её резонансной частоты rez. На рис. 3 показан примерный вид годографа КЧХ
замкнутой АСР при оптимальной настройке регулятора, на годографе отмечена точка,
соответствующая
Косвенные
резонансной
условия
частоте.
оптимальности
задаются в виде трех равенств: Rs(ω,Kr,Ti,α)
= Rs.op; Gs(ω,Kr,Ti,α) = Gs.op и T/Ti(ω,Kr,Ti,α)
= TTi.op, где α=Td/Ti; Kr, Ti, Td - параметры
ПИД-регулятора, Т=2π/ω. Здесь: Rs.op, Gs.op,
TTi.op оптимальные значения косвенных
показателей, которые рассчитаны заранее
Рис. 3. Вид годографа КЧХ замкнутой АСР
при оптимальной настройке
для
принятого
исходного
критерия
оптимальности (в данном случае: 0,95;
I2=min). При этом параметры Rs.op и Gs.op приняты постоянными (Rs.op=1,4; Gs.op=-90), а
значения TTi.op и α определяются в контроллере по аппроксимирующим формулам на
основе предварительных расчетов оптимума по исходному критерию оптимальности для
принятой модели объекта с достаточно широким диапазоном изменения параметров.
Рассмотрены
вопросы
обработки
экспериментальных
данных
и
проведения
предварительных расчетов современными программными средствами Matlab и Simulink;
получены аппроксимирующие формулы для оптимальных значений косвенных показателей,
используемых в АНР, аппроксимации переходных характеристик и оптимизации параметров
регуляторов. В конце первой главы формулируются задачи исследования.
Во второй главе подробно рассматривается АСР с предиктором Смита, ПИДрегулятором и алгоритмом АНР (см. рис. 1 и 4). На первом этапе выполнены исследования
10
системы средствами программного пакета Matlab/Simulink, в частности, проверена
работоспособность этой системы в условиях влияния помех.
Для учета особенностей технической реализации проведены исследования АСР на
экспериментальном стенде, оснащенном двумя программируемыми контроллерами ПЛК.
Рис. 4. Структурная схема АСР с предиктором Смита
АНР - модуль автоматической настройки регулятора, Рег - регулятор, Ф – фильтр; ОУ объект управления, Пр - предиктор Смита (см. рис. 1), S1 и S2 - переключатели.
На одном ПЛК реализованы регулятор и предиктор, на втором - модель объекта
(симулятор). Моделирование объекта на программируемом контроллере позволило
рассмотреть широкий спектр характеристик объектов. Для примера на рис. 5 представлены
переходные процессы при изменении задания в АСР с симулятором объекта при расчете
параметров модели объекта по АНР-1. На рис 5 и 6, соответственно: а – без предиктора; б - с
предиктором без коррекции Kr, Тi, Тd; в – с предиктором и коррекцией параметров при
коэффициенте коррекции k = 2.
Рис.5. Процессы в АСР с симулятором объекта при изменении задания
На рис. 6 представлены процессы в той же АСР при возмущении по каналу . Здесь: y
- выход объекта, z - выход предиктора, u - задание, μ- выход регулятора.
11
Рис. 6. Процессы в АСР с симулятором объекта при возмущении на входе объекта
С целью проверки работоспособности системы приводятся также результаты
исследования с физической моделью объекта управления в виде электронагревателя.
Рассмотрен вопрос оптимизации параметров ПИД-регулятора, работающего в составе
АСР с предиктором Смита. Показано, что при включении предиктора требуется коррекция
параметров регулятора относительно данных АНР, но нецелесообразно выполнять
оптимизацию параметров настройки регулятора путем повторного вызова АНР, так как этот
способ недостаточно надежен. Приведены рекомендации по коррекции параметров (на
рис.5в и рис.6в показаны процессы при коррекции параметров настройки при коэффициенте
коррекции k = 2). В конце главы анализируются частотные характеристики АСР с целью
объяснения характера полученных переходных процессов. Система с предиктором
рассматривалась в виде двухконтурной АСР, структурная схема которой показана на рис. 7, а
графики АЧХ системы на рис. 8.
Рис.7. АСР с предиктором Смита в виде двухконтурной системы
Передаточные функции представленной на рис. 7 системы по различным каналам
имеют следующий вид:
по каналу uy: Wyu  s  
W pi  Wob  s 
1  W pid  s   Wob  s   Wdp  s  
;
(1)
12
по каналу λy: Wy  s  
где Wdp  s   W0  s   Wm  s  -
Wob  s 
1  Wob  s   W1  s 
передаточная
(2)
,
функция
динамического
преобразователя
(разность передаточных функций моделей объекта без запаздывания и с запаздыванием);
W1  s  
W pid  s 
1  Wpid  s  Wdp  s 
- передаточная функция внутреннего контура системы.
Рис. 8. Графики АЧХ системы: 1- без предиктора; 2- с предиктором без коррекции
параметров регулятора; 3- с предиктором при k=2
На рис. 8 представлены графики АЧХ системы: Ayu    Wyu  j  (канал uy, рис. 8
а) и Ay    Wy  j  (канал λy, рис. 8 б и в). Графики рассчитывались на основании
формул (1) и (2) для объекта второго порядка. Начальный участок АЧХ по каналу λy
укрупненно представлен на рис. 8в. Из представленных графиков видно, что при добавлении
предиктора резонансная частота системы понижается по сравнению с исходной, что
приводит к увеличению длительности переходного процесса и т.д. При коррекции
параметров регулятора можно повысить значение резонансной частоты, что видно из рис.8,
улучшив качество регулирования.
В третьей и четвертой главах рассматриваются вопросы применения и развития
метода настройки регуляторов, основанного на МНК-приближении к субоптимальному
регулятору в заданном диапазоне частот для получения переходного процесса желаемого
вида. В третьей главе рассматривается применение этого метода для объектами с
самовыравниванием, в четвертой – для интегрирующих объектов.
Передаточную функцию объектов с запаздыванием можно представить в виде:
Wob  s   Vob  s   e s ,
где, Vob(s) дробно-рациональная часть без запаздывания, τ - время запаздывания объекта.
(3)
13
Под «субоптимальным» понимается регулятор, получаемый из оптимального путем
введения
ограничений,
обеспечивающих
возможность
физической
реализации
и
достаточный запас устойчивости системы. Передаточные функции субоптимального
регулятора относительно задающего и внутреннего воздействий имеют вид:
Wsub.s  s  
1
Vob  s 

1
, (4)
Tc  s  1  e s
Wsub.r  s  
1

1
Wsub. z  s  Wob  s 
,
(5)
где: Тс - постоянная времени сглаживающего фильтра; Wsub.z(s) - передаточная функция
субоптимальной замкнутой системы.
Параметры настраиваемого регулятора Kr, Ti, Td определяются из условия
2
N
J   Wsub  ji   Wr  ji , K r , Ti , Td   min .
i 1
С целью проверки эффективности метода выполнены расчеты АСР с типовыми
регуляторами для ряда объектов с самовыравниванием и без него. Рассмотрены случаи
подачи воздействия по заданию и на вход объекта (внутреннее возмущение). В качестве
примера на рис. 9,а приведены годографы КЧХ субоптимального регулятора для объекта
третьего порядка с запаздыванием с самовыравниванием при оптимизации по каналу задания
в ограниченном диапазоне частот [ω1; ω2]. На рис. 9,б приведены годографы КЧХ
субоптимального регулятора с интегрирующим объектом первого порядка с запаздыванием
при оптимизации относительно внутреннего возмущения.
а)
б)
Рис. 9. Вид годографов КЧХ
С целью развития этого метода выполнен анализ его применимости для АСР с
различными видами объектов, а также получены зависимости для расчета параметров,
требующихся для применения этого метода: диапазона частот приближения и постоянных
времени сглаживающего фильтра Тс, а также корректирующего коэффициента динамической
ошибки kτ (при оптимизации относительно внутреннего воздействия).
14
На рис. 10 представлены графики полученных зависимостей для коэффициента kTc,
используемого для вычисления постоянной времени Тс сглаживающего фильтра от
параметра β=/T1 при различных значениях параметра n=T2/T1 объекта второго порядка с
самовыравниванием для случая воздействия на вход объекта для системы с ПИ- и ПИДрегуляторами. Получены аппроксимирующие формулы, позволяющие однозначно вычислять
необходимые параметры при использовании в регулирующем контроллере.
a)
б)
Рис. 10. График зависимости коэффициента kTc от параметра β при различных
значениях параметра n объекта второго порядка с самовыравниванием. a) для ПИ-регулятора
и б) для ПИД-регулятора
На рис. 11 приведены переходные процессы в АСР для иллюстрации влияния
параметров метода МНК (коэффициентов kTf и kτ) на вид переходного процесса. Здесь
приведены данные для АСР с ПИД-регулятором и интегрирующим объектом (ИО) второго
порядка. Линия 1 на рис. 11 - для традиционного метода [2] при M = 1,2; 2 - для метода
МНК-приближения при kTf = 180, kτ = 5 и 3 - при kTf = 90, kτ = 8.
Результаты показывают, что значения этих коэффициентов существенно влияют на
динамическое
отклонение
и
длительность
переходного
процесса
при
внутреннем
возмущении. Выполнен анализ влияния вида расчетной модели объекта на качество работы
АСР. Показано, что для расчета АСР с объектом третьего порядка вполне допустимо
использовать модель второго порядка. Также показано, что при расчете АСР с ПИрегулятором и ИО по алгоритму МНК-приближения относительно внутреннего возмущения
получаемое качество
процессов регулирования близко к результату при расчете
«традиционным» методом [2], что говорит о том, что применение МНК-приближения в этом
случае целесообразно. Однако применение алгоритма МНК-приближения для настройки
ПИД-регулятора с ИО не является эффективным.
15
а)
б)
Рис. 11. Переходные процессы в АСР с ПИД-регулятором и ИО второго порядка,
а) при изменении задания; б) при возмущении на входе объекта
В пятой главе предложена АСР гибридной структуры, в которую входят алгоритм
регулирования, алгоритм максимального быстродействия (АМБ) и модуль АНР. Схема АСР
приведена на рис. 12, где: ИУ - исполнительное устройство; Ф - фильтр; SP - сигнал задания;
PV - регулируемая переменная; MV - регулирующее воздействие; z - выход ИУ; S –
переключатель; ЛУ – логическое устройство, управляющее переключателем S.
Рис. 12. Структурная схема гибридной системы с АМБ, ПИД-регулятором и АНР
Модуль АНР применяется для периодического обновления информации о модели
объекта и пересчета на основании полученных данных параметров настройки ПИДрегулятора и линии переключения для алгоритма АМБ.
Получены выражения для расчета линии переключения алгоритма максимального
быстродействия и разработана программа для регулирующего контроллера на языке С в
среде разработки Borland C++, реализующая предложенную гибридную систему.
Выполнен анализ работоспособности такой системы для моделей объектов,
характерных для тепловых процессов. Показано, что ее применение позволяет повысить
качество регулирования при отработке задающего воздействия с использованием модели
объекта по данным АНР и рекомендаций для коэффициента прогноза. При этом АМБ
16
целесообразно включать при существенном изменении задания, и достаточно ограничиться
его работой до первого переключения (то есть использовать АМБ без реверса управления),
чтобы исключить автоколебания, возможные при малых отклонениях от задания, а далее
следует осуществить переход к ПИД-регулированию для стабилизации выхода объекта на
заданном значении.
Рассмотрен вопрос оптимизации работы блока прогноза, используемого для работы
АСР
с
объектами
второго
порядка
с
запаздыванием. Получены зависимости для
расчета коэффициента прогноза kpr через
параметры
модели
объекта.
Графики
зависимостей kpr от свойств объекта (n и β)
приведены на рис.13, где 1- β = 0,2; 2- β = 0,4;
3- β = 0,8.
Графики аппроксимированы формулой для
возможности
Рис. 13. Графики зависимости kpr от
параметров модели объекта n и β
применения
в
контроллере:.
kpr = A·(1 - D) + B·D,
где A = 0,5+6/(n+4); B = 0,55+16,66/(n+9,45); C
= 2,01-0,2/(β+0,06); D = 1,88·C-2,2.
а)
б)
Рис. 14. Процессы в АСР с АМБ и ПИД-регулятором: а) с реверсом; б) без реверса:
1- задание SP; 2- выход объекта PV; 3- регулирующее воздействие MV
Рассмотрен вопрос, для каких объектов и при каких изменениях задания гибридная
АСР является эффективной. Выполнен сравнительный анализ работы гибридной и обычной
АСР с ПИД-алгоритмом. На рис. 14 приведены процессы в АСР с АМБ и ПИД-регулятором
с объектом второго порядка с запаздыванием. На рис. 15 показаны процессы: а) в АСР с
АМБ без перехода на ПИД-регулятор, б) АСР с АМБ и ПИД-регулятором (линии 2 и 4) и
АСР с ПИД-регулятором (линии 3 и 5).
17
а)
б)
Рис. 15. Процессы в АСР а) 1- SP; 2- PV с АМБ без перехода на ПИД; 3- MV с АМБ; б) 1- SP;
2- PV с АМБ и ПИД ; 3- PV с ПИД; 4- MV с АМБ и ПИД; 5- MV с ПИД
Результаты анализа показали: 1) работа АМБ без реверса регулирующего воздействия
позволяет устранить излишнюю колебательность (рис.14); 2) в системе с АМБ без перехода
на ПИД-регулятор в конце переходного процесса возникают автоколебания (рис. 15,а); 3) по
сравнению с АСР с ПИД-регулятором без АМБ система с ПИД-регулятором и АМБ без
реверса воздействия имеет лучшие показатели (рис. 15,б).
В разделе «заключение» обобщаются результаты исследования.
1. На основе обзора определен круг подлежащих решению проблем для некоторых
перспективных алгоритмов повышения качества работы АСР, в частности, для систем с
предиктором Смита, АМБ, а также для метода настройки регуляторов с помощью МНКприближения к субоптимальному регулятору. Отмечена необходимость обновления модели
объекта и создания рекомендаций по однозначному определению параметров применяемых
алгоритмов.
2. Для возможности применения предиктора и АМБ предложено включить в
программное обеспечение регулирующих контроллеров алгоритм автоматической настройки
регуляторов АНР-1 и АНР-2.
3. Выявлен круг объектов и условий, для которых применение системы с ПИДрегулятором, предиктором и модулем АНР является эффективным; получены зависимости
для корректировки параметров системы с ПИД-регулятором и предиктором с учетом
динамики объектов с целью повышения качества регулирования;
4. Для алгоритма настройки регуляторов, основанного на МНК-приближении к
субоптимальному регулятору, получены зависимости для однозначного определения
параметров МНК-алгоритма (частотного диапазона, постоянных времени фильтров и
корректирующего коэффициента динамической ошибки) с учетом данных о модели объекта
18
для ряда типовых случаев с ПИ- и ПИД-регуляторами с целью повышения точности
настройки, расширения области применения и реализации в контроллерах.
5. Предложена структура гибридной системы для регулирующих контроллеров, в
состав которой входят алгоритм максимального быстродействия, ПИД-алгоритм и модуль
АНР. Определена область, когда применение АМБ является эффективным. Даны
рекомендации по применению прогноза для объектов с запаздыванием по данным АНР.
6. Показано, что АМБ целесообразно включать при существенном изменении задания
и использовать его до первого переключения, чтобы исключить автоколебания в системе, а
далее следует использовать алгоритм ПИД-регулирования. Разработана программная
реализация системы с АМБ на языке С в среде разработки Borland C++.
7.
Полученные
рекомендации
подтверждены
результатами
тестирования
предложенных систем с применением программного и физического имитаторов объекта, а
также результатами имитационного моделирования.
8. Полученные результаты могут быть использованы в программном обеспечении
регулирующих
контроллеров
для
усовершенствования
автоматических
систем
регулирования технологических процессов на ТЭС и других промышленных объектах.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобнауки России для
опубликования основных научных результатов:
1. В. Ф. Кузищин, Е. И. Мерзликина, Ван Ва Хоанг. ПИД-регулятор с предиктором и
алгоритмом автоматической настройки: исследование эффективности для тепловых объектов
// Теплоэнергетика, № 9, 2017, стр. 80-90.
2. В. П. Зверьков, Е. И. Мерзликина, Хоанг Ван Ва. Метод получения математических
моделей с использованием поисковых алгоритмов // Новое в Российской Электроэнергетике.
Ежемесячный научно-технический электронный журнал, № 4, 2016 г., стр. 38-45.
Научные статьи и изданиях, в ходящих в международные базы цитирования
Scopus и Web of science:
3. V.F. Kuzishchin, E.I. Merzlikina, Hoang Van Va. Study of the Efficiency of the Control
System with Smith predictor using a Simulator based on Controller OWEN PLC // 2016 2nd
International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM).
Publisher: IEEE, 27 April 2017. DOI: 10.1109/ICIEAM.2016.7910912. Pages 120-124.
4. Viktor F. Kuzishchin, Elena I. Merzlikina and Hoang Van Va. Study of the Control System
With the Smith Predictor and Autotuning Algorithm AT-2 for Thermal Control Objects With the
19
Constant Speed Actuator // Issue MATEC Web of Conferences. Volume 91, № 01018 (2017). The
fourth International Youth Forum “Smart Grids 2016”. Published 20.12.2016.
5. V. F. Kuzishchin, E. I. Merzlikina, Van Va Hoang. PID-controller with predictor and autotuning algorithm: Study of efficience for thermal plants // © Springer, September 2017, Volume 64,
Issue 9, pp 694–702.
6. V.F. Kuzishchin, E.I. Merzlikina, Hoang Van Va. PD and PDD algorithms with integrating
object: Tuning on the basis of approach to suboptimal algorithm // 2017 International Conference
on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). Publisher: IEEE, 23 October
2017. DOI: 10.1109/ICIEAM.2017.8076155. Pages 1-5.
7. V F Kuzishchin, E I Merzlikina and Hoang Van Va. Application of the tuning algorithm with
the least squares approximation to the suboptimal control algorithm for integrating objects // The
International Conference "Problems of Thermal Physics and Power Engineering" (PTPPE-2017). 9–
11 October 2017, Moscow, Russian Federation. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series
891 (2017) 012281. Pages 1-6.
Статьи и научные труды в других изданиях:
8. Хоанг Ван Ва, Кузищин В. Ф., Мерзликина Е. И. Применение алгоритма
автоматической настройки для АСР с ПИД-регулятором и
Актуальные
направления
научных
исследований
XXI
века:
предиктором Смита //
теория
и
практика.
Международная научно-практическая конференция “Молодёжный форум: технические и
математические науки”, 9-12 ноября 2015 года, Воронеж. Сборник научных трудов по
материалам международной заочной научно-практической конференции 2015 г. № 8 часть 3
(19-3). Стр. 51-55.
9. Хоанг В. В., Кузищин В.Ф., Мерзликина Е.И. Применение алгоритма автоматической
настройки для АСР с ПИД-регулятором и предиктором Смита при наличии помех // XXVIII
международная научная конференция. Математические методы в технике и технологиях
ММТТ – 28. Сборник трудов том 8. Саратов 2015. Стр. 197-200.
10. Хоанг Ван Ва, асп.; рук-ли Кузищин В.Ф., к.т.н., доц.; Мерзликина Е.И. к.т.н., доц..
Исследование АСР с ПИД-регулятором, автонастройкой, и предиктором Смита // XXII
международная
научно-техническая
конференция
студентов
и
аспирантов.
Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тезисы докладов. Том 3. Москва.
Издательский дом МЭИ 2016. Стр. 190.
11. В. Ф. Кузищин, Е. И. Мерзликина, Хоанг Ван Ва. Изучение автоматической системы
регулирования с предиктором Смита в Simulink // ТРУДЫ Международной научно-
20
практической конференции. Информатизация инженерного образования. 12-13 апреля 2016
года, Издательский дом МЭИ. Москва. Стр. 517-518.
12. Хоанг Ван Ва, Кузишин В.Ф., Мерзликина Е.И. Оптимизация параметров настройки
АСР с ПИД-регулятором и упредителем Смита на базе контроллера ОВЕН ПЛК // XXVII
Международной научно-практической конференции. Фундаментальные и прикладные
исследования: проблемы и результаты. г. Новосибирск, 8 июля 2016г. Стр. 121-128.
13. Кузищин В.Ф., Мерзликина Е.И., Хоанг Ван Ва. Выбор параметров приближения к
субоптимальному
регулятору
для
типовых
алгоритмов
регулирования
//
XXIX
Международная научная конференция. Математические методы в технике и технологиях
ММТТ – 29. Сборник трудов том 12. Саратов 2016. Стр. 149-154.
14. Хоанг Ван Ва, асп.; рук-ли Кузищин В.Ф., к.т.н., доц.; Мерзликина Е.И. к.т.н., доц..
Рекомендации по выбору параметров приближения к субоптимальному регулятору для АСР
с ПИД-регулятором // XXIII международная научно-техническая конференция студентов и
аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тезисы докладов. Том 3.
Москва. Издательский дом МЭИ 2017. Стр. 235.
15. Хоанг Ван Ва, асп.; рук-ли Кузищин В.Ф., к.т.н., доц.; Мерзликина Е.И. к.т.н., доц..
Выбор параметров приближения к субоптимальному регулятору для АСР с объектами без
самовыравнивания
//
Двенадцатая
международная
научно-техническая
конференция
студентов, аспирантов и молодых учёных. Энергия-2017 г.. Том 1. 4-6 апреля 2017 г., г.
Иваново. Стр. 122-123.
16. Хоанг В.В., Кузищин В.Ф., Мерзликина Е.И. Настройка АСР с ПИ-регулятором и
интегрирующим объектом путём МНК-приближения к субоптимальному регулятору //
Материалы докладов XII международной молодежной научной конференции «Тинчуринские
чтения». 26–28 апреля 2017 г.. Том 2., г. Казань. Стр. 315-318.
17. Кузищин В.Ф., Мерзликина Е.И., Хоанг Ван Ва. Применение метода настройки с
приближением к субоптимальному регулятору для объектов третьего порядка // XXX
Международная научная конференция. Математические методы в технике и технологиях
ММТТ – 30. Сборник трудов том 7. Санкт-Петербург 2017. Стр. 3-7.
18. Кузищин В.Ф., Мерзликина Е.И., Хоанг Ван Ва. Система регулирования с ПИДрегулятором, автонастройкой и алгоритмом максимального быстродействия // XXX
Международная научная конференция. Математические методы в технике и технологиях
ММТТ – 30. Сборник трудов том 10. Санкт-Петербург 2017. Стр. 21-25.
Подписано в печать_________________Зак._________Тир._____П.л.____
Отдел оперативный полиграфии МЭИ, Красноказарменная ул., д. 13, стр.4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
8
Размер файла
2 507 Кб
Теги
динамика, эффективность, методов, аср, оптимизация, объектов, тепловых, развития, исследование
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа