Программно-аппаратный измерительный комплекс для исследования алгоритмов управления многосвязными объектами

Актуальность темы

В настоящее время для решения задачи оптимального управления непрерывными технологическими процессами используются простые алгоритмы с одной обратной связью, в которую включено управляющее устройство, реализующее один из типовых законов управления [1, 7, 15, 69]. Иногда этого достаточно для эффективного функционирования процесса и системы управления этим процессом. Но повышение требований к конкурентоспособности готовой продукции, а, следовательно, к ее качеству и снижению материальных и энергетических затрат на ее производство, делает актуальной задачу разработки алгоритмов управления, обладающих более сложной структурой и использующихся сейчас лишь на стадии проектных решений.

Оценку эффективности и работоспособности как действующих, так и разрабатываемых алгоритмов управления целесообразнее проводить с использованием методов имитационного моделирования, модернизировав их с учетом реальных условий производства и эксплуатации оборудования. Применение методов имитационного моделирования может повысить уровень информационной насыщенности об объекте управления и, тем самым, увеличить качественные показатели продукции и эффективность управленческих решений [49, 50, 51].

В связи с этим, задача разработки, исследования и внедрения новых программно-аппаратных методов имитационного моделирования является актуальной.

Целью работы является разработка программно-аппаратного измерительного комплекса для исследования алгоритмов управления многосвязными объектами.

Для достижения цели в работе решены следующие задачи: 1. Модернизированы методы имитационного моделирования для использования в условиях наиболее приближенных к реальным с учетом дрейфа характеристик, помех измерения и случайного изменения параметров;

2. Разработана структура программно-аппаратного измерительного комплекса (ПАИК);

3. Разработано математическое описание многосвязных объектов управления, учитывающее случайные изменения входных сигналов, помех измерения и дрейфа характеристик;

4. Разработан алгоритм получения математической модели по данным нормального функционирования объекта;

5. Выбрано математическое описание алгоритмов управления многосвязными объектами;

6. Проверена адекватность полученных решений и проведены исследования алгоритмов на работоспособность и эффективность управления.

Научная новизна.

1. Разработан программно-аппаратный измерительный комплекс для исследования алгоритмов управления многосвязными объектами, который позволяет имитировать процесс управления с учетом влияния дрейфа характеристик, помех измерения;

2. Разработано математическое описание многосвязных объектов управления, включающее математическое описание изменения входных сигналов как случайных функций;

3. Предложен алгоритм нахождения математической модели объекта по данным нормального функционирования;

4. Предложена методика нахождения начальных условий функционирования программно-аппаратного измерительного комплекса;

5. Проведена проверка работоспособности ПАИК по переходным процессам известных технических решений.

6. Предложен новый алгоритм управления процессом абсорбции, отличающийся введением в линию измерения расхода тощего абсорбента динамического компенсатора.

Практическая значимость результатов. Наибольшую практическую ценность представляют следующие результаты исследования:

1. Пакет прикладных программ для нахождения весовой функции объекта управления по экспериментальным данным с использованием уравнения Винера-Хинчина;

2. Пакет прикладных программ для расчета начальных условий функционирования каскадных систем управленияпакет может быть использован для расчета оптимальных настроек типовых регуляторов;

3. Программно-аппаратный комплекс для исследования качества многоконтурных управляющий систем.

На защиту выносятся:

1. Программно-аппаратный измерительный комплекс для исследования алгоритмов управления многосвязными объектами;

2. Алгоритм получения математической модели по данным нормального функционирования многосвязных объектов управления;

3. Методика нахождения начальных условий функционирования ПАИК для исследования алгоритмов управления;

4. Новый алгоритм управления процессом абсорбции, отличающийся от известных введением в линию измерения тощего абсорбента динамического компенсатора.

Внедрение. Результаты работы в виде программного и информационного обеспечения внедрены на ОАО «Волжский Оргсинтез» и используются в учебном процессе в виде лабораторного практикума при изучении дисциплины «Теория автоматического управления», «Теоретические основы автоматического управления».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и городских конференциях, в том числе на Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (Пенза, 2001 г.), Всероссийской заочной конференции «Перспективы развития Волжского региона» (Тверь, 2002 г.), IX международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2003 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (Пенза, 2003 г.), Международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий» (Сочи, 2003 г.), ИХ, IX межвузовской научно-практической конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2002, 2003 г.).

В первой главе диссертации приводится анализ современных технологических процессов как объектов управления, алгоритмов управления и методов исследования.

Большое количество факторов, влияющих на протекание и эффективность управления технологическими процессами, говорит о том, что они являются многосвязными объектами [47, 52, 74]. При этом большинство возмущающих величин компенсируются по принципу одноконтурных систем управления, основанные на применении типовых законов регулирования. Те же принципы используются при управлении по энергетическим и качественным показателям выходных координат. Обобщенные показатели качества являются самыми эффективными, но их использование требует применения многоконтурных управляющих систем.

Анализ алгоритмов управления технологическими процессами показал, что при управлении по параметрам материального или теплового баланса применяют сложные алгоритмы, основной целью которых является не расчет настроек управления, а реализация управляющих воздействий на объекте с целью обеспечения заданного качества [96, 97, 98]. Все алгоритмы управления, не смотря на их сложность, при реализации управляющих воздействий используют в основном одноконтурные системы регулирования.

Анализ методов для оценки качества автоматических систем управления показал, что экспериментальные методы применяются там, где усилия, затрачиваемые на получение динамических характеристик объекта неоправданно велики, и предусматривают внесение в систему возмущения в виде ступенчатого скачка в значении задающего воздействия [13, 30, 68], что не всегда возможно. Экспериментальные методы позволяют определить оптимальные настройки управляющих устройств на уже действующих производствах, к качественным характеристикам которых предъявляются не очень жесткие требования, т. е. требуют наличия, как отлаженного объекта, так и готовой САУ. Аналитические методы требуют для своей реализации обязательного знания математического описания объекта управления [69, 79]. Реализация этих методов возможна без непосредственного вмешательства в работу оборудования, а рост современных компьютерных технологий значительно упрощает их формализацию. Однако, аналитические методы в основном предназначены для параметрической оптимизации локальных, одноконтурных систем управления. Их применение для определения оптимальных параметров сложных САУ (каскадных, многоконтурных) возможно лишь в ограниченных случаях.

Имитационное моделирование процесса управления позволяет исследовать режимы работы объекта в условиях наиболее приближенных к реальным, т. е. в условиях действия случайных помех измерения, дрейфа характеристик и изменения переменных. Однако, имитационное моделирование предъявляет особые требования к математическому описанию и, в частности, к выбору критериев эффективности. При имитационном моделировании они должны не только объективно отражать эффективность функционирования объекта, но и обладать способностью к оценке этой эффективности в реальном масштабе времени.

В результате анализа сформулированы цель и задачи диссертации.

Вторая глава посвящена разработке математического описания систем управления многосвязными объектами. Структурная схема системы управления многосвязными объектами содержит блок формирования сигналов, помех измерения, дрейфа характеристик как случайных функций, блок и математического описания многосвязного объекта и алгоритма управления этим объектом, блок вычисления среднеквадратичного критерия качества.

Для получения сигналов как случайных функций случайная последовательность чисел в интервале от 0 до 1 формируется генератором случайных чисел, а задание произвольного или необходимого для исследований диапазона измерений происходит в блоке формирования заданных статистических характеристик. Затем случайная последовательность подается в блок, который реализует цифровой ЯС-фильтр и приобретает экспоненциальную форму случайного процесса с заданной дисперсией.

Математическая модель компонуется согласно классической схеме многосвязного объекта, в которой каждую связь можно представить как неминимальнофазовое апериодическое звено, и представляет собой сумму п сигналов [14, 80, 81].

Блок формирования алгоритмов реализует принципы каскадного управления.

Предложенные структура программно-аппаратного измерительного комплекса и математическое описание его основных блоков накладывают определенные требования на методы получения математических моделей объектов управления, поэтому был предложен алгоритм определения весовой характеристики объекта по уравнению Винера-Хинчина. Методом пассивного эксперимента определяются реализации входных и выходных переменных. Методом скользящего среднего проводится сглаживание и стандартное центрирование экспериментальных данных. Полученные данные позволяют сформировать нормированные вектор взаимной корреляционной и вектор корреляционной функций, которые используются для определения весовой характеристики объекта управления. Анализ найденной весовой функции показывает, что исследуемые объекты имеют в основном второй порядок в математической модели. Автоколебания в хвостовой части функции характеризуют имеющие в объекте нелинейности от первичных, вторичных датчиков и различных преобразователей.

В третье главе рассматриваются математические основы описания алгоритмов управления многосвязными объектами. Для улучшения эффективности процесса управления в работе предложен алгоритм, основанный на каскадных системах управления [42, 70, 86]. В каскадных многоконтурных системах вырабатываемое управляющее воздействие зависит от нескольких выходных координат объекта и в качестве сигнала задания использует выходные сигналы всех последующих управляющих устройств.

Для расчета оптимальных параметров управляющих устройств понадобилось использование принципов структурных преобразований [95] и понятия эквивалентных передаточных функций. Поэтому была предложена специальная методика расчета настроечных коэффициентов типовых регуляторов в каскадных системах, основанная на взаимодействии основного и вспомогательных контуров управления. В ходе работы над методикой была преложена формула передаточной функции промежуточного эквивалентного объекта для расчета многоконтурных САУ, учитывающая условия физической реализуемости. Методика включает в себя все возможные варианты поведения исследуемых систем.

Таким образом, программно-аппаратный измерительный комплекс позволяет имитировать случайный характер сигналов, помехи измерения и дрейф характеристикисследовать динамические характеристики многосвязных объектов линейных систем управления с целью определения наиболее оптимальных из нихисследовать работоспособность и эффективность алгоритмов управления объектами.

В четвертой главе показано как с помощью предложенного комплекса исследуется эффективность и работоспособность разработанных методик и алгоритмов.

Для проверки адекватности предложенных методик и работоспособности разработанного программно-аппаратного комплекса был проведен анализ переходных процессов, полученных при работе известных алгоритмов управления процессом ректификации, приготовления резиновых смесей и процесса абсорбции [2, 6, 7, 72, 73, 99].

При исследовании алгоритмов управления процессом абсорбции было установлено, что при увеличении коэффициента пропорциональности регулятора происходит непрерывное уменьшение среднеквадратического критерия качества, следовательно, данный алгоритм управления не имеет оптимального режима функционирования. Поэтому, его использование в этом виде нецелесообразно и требуется его усовершенствование и модернизация.

В работе предложен алгоритм, отличающийся от известных введением в линию измерения расхода тощего абсорбента динамического компенсатора, который позволяет привести величины расходов тощего и насыщенного абсорбентов к одному моменту времени, увеличить точность расчета степени насыщения и повысить эффективность работы алгоритма. Динамический компенсатор имеет тоже время запаздывание, что и объект управления. Исследования показали, что введение динамического компенсатора в линию измерения расхода тощего абсорбента позволило улучшить первоначально предложенный способ управления процессом абсорбции, а существование оптимального режима функционирования алгоритма при этом позволяет сделать вывод о его работоспособности и реализуемости.

Разработанный программно-аппаратный измерительный комплекс позволяет имитировать входные и задающие воздействия, объект и алгоритм управление, как в идеальных условиях работы технологического оборудования, так и в условиях влияния дрейфа характеристик и помех измерения. При помощи имитационных исследований возможно определение оптимальных начальных условий функционирования комплекса для различных вариантов поведения каскадной системы автоматического управления, которые удовлетворяют выбранному критерию качества. Максимальная приведенная погрешность при введении сигнала помехи составляет не более 20%.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты работы.

Приложения к диссертации содержат материалы, подтверждающие внедрение и использование результатов исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основная цель диссертационного исследования достигнута. Разработанный программно-аппаратный измерительный комплекс для исследования алгоритмов управления позволяет реализовывать процесс управления с учетом влияния случайного характера параметров процесса, помех измерения и дрейфа характеристик системы, исследовать многоконтурные алгоритмы управления с точки зрения их эффективности и работоспособности, синтезировать новые алгоритмы многосвязного управления.

Работоспособность комплекса проверялась на нескольких различных программных объектах и можно сделать вывод об адекватности принятых при его разработке решений физически реализуемым системам. Для проверки адекватности программно-аппаратного измерительного комплекса реальным объектам и системам была исследована работоспособность известных алгоритмов управления технологическими процессами ректификации, приготовления резиновых и пластмассовых смесей и абсорбции. Проведенный анализ экстремальных зависимостей параметров процессов от выбранного критерия оптимальности показал, что все принятые решения адекватны и работоспособны.

Для функционирования программно-аппаратного измерительного комплекса потребовалось выбрать методы моделирования входных сигналов как случайных функций. Представление математических моделей входных сигналов, помех измерения и дрейфа характеристик как случайных функций позволяет имитировать поведение объектов и систем в условиях наиболее приближенных к реальным.

Программно-аппаратный измерительный комплекс для выполнения поставленной цели должен состоять из математических моделей одного класса для всех входящих в него элементов, и объекта управления в частности. И если в качестве входных сигналов используются случайные функции, то и математическую модель необходимо искать с помощью приемов и методов обработки случайных сигналов. В диссертации предложен алгоритм и пакет прикладных программ для нахождения математической модели многосвязного объекта по данным пассивных измерений. Алгоритм основан на применении интеграла Винера-Хинчина, который связывает корреляционную функцию входного сигнала, взаимную корреляционную функцию входного и выходного сигналов и весовую функцию объекта. Зная весовую характеристику объекта, математическую модель можно представить как в виде передаточной функции, так и в виде дифференциального уравнения.

Одной из основных частей программно-аппаратного измерительного комплекса является математическая модель управления. За основу функционирования этого модуля был принят каскадный принцип управления, который использует типовые законы управления на каждом уровне управления. Применение типовых законов управления выдвинуло на первый план задачу параметрического синтеза — определения начальных условий функционирования программно-аппаратного измерительного комплекса. В работе предложена методика, позволяющая рассчитывать оптимальные настроечные коэффициенты управляющих устройств и использовать их в качестве начальных условий функционирования программно-аппаратного измерительного комплекса. Методика основана на применении структурных преобразований и эквивалентных передаточных функций, что позволило предложить формулу для расчета передаточных функций промежуточных управляющих устройств в каскадных системах, которая учитывает условия физической реализуемости таких систем и предотвращает возникновение звеньев с положительным запаздыванием.

Программно-аппаратный измерительный комплекс может быть использован как для исследования существующих, так и для синтеза новых алгоритмов управления многосвязными объектами. В работе был проведен пробный синтез, в результате которого был предложен алгоритм управления процессом абсорбции, отличающийся от известных введением в линию измерения расхода тощего абсорбента динамического компенсатора. Компенсатор позволяет привести величины расходов тощего и насыщенного абсорбентов к одному моменту времени и увеличить точность расчета степени насыщения абсорбента. Анализ полученных экстремальных зависимостей критерия качества от параметров настройки показал, что алгоритм работоспособен и эффективен, а введение в управляющее устройство интегральной составляющее позволило улучшить качество процесса управления на 2,5%.