Исследование и разработка параметрических систем управления нестационарными динамическими объектами

Увеличение в оптимальных пределах единичной мощности котельных агрегатов и установок сопровождается усложнением задач, решаемых с помощью автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Это определяет актуальность работ, направленных на совершенствование АСУТП промышленными котельными установками, основанных на использовании современных методов управления, средств вычислительной техники и комплексной автоматизации работ на стадии проектирования и внедрения систем.

На современном этапе развития промышленности и энергетики идея использования ЭВМ для контроля и управления производством становится наиболее актуальной. Ошибки в управлении технологическим процессом могут привести к появлению брака или к выходу из строя оборудования. В связи с этим необходимо фиксировать все важные решения, принимаемые в ходе управления, вместе с обстоятельствами, при которых эти решения приняты.

Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию параметрических алгоритмов адаптации с использованием информации об оценках изменения динамических свойств системы, разработке алгоритмов управления для алгоритмического обеспечения управляющих контроллеров и разработке АСУТП для промышленных котельных установок.

В случае применения современных автоматизированных систем управления решаются две основные задачи: управления и диспетчеризации, то есть сбора, адекватного преобразования и хранения информации о ходе технологического процесса. Часто на подобные системы дополнительно возлагаются и другие задачи, как, например, аварийная сигнализация, оповещающая о необходимости вмешательства человека в ход автоматизированного процессатестирование основного и резервного оборудованиясбор данных с целью поиска возможности рационализации существующего технологического процесса и т. п.

Задачи управления, решаются автоматизированными системами самостоятельно в соответствии с заложенными оператором или разработчиками алгоритмами и концепциями регулирования. Эти алгоритмы всегда предусматривают возможность оповещения оператора о возникновении ситуаций, требующих обязательного вмешательства в процесс производства. Это, прежде всего, аварийные ситуации, требующие замены или ремонта оборудования, или ситуации, связанные с изменениями параметров технологического оборудования.

Как правило, все серийно выпускаемые контроллеры обладают в достаточной степени универсальностью и могут быть применены для автоматизации различных автоматических процессов. При этом используются различные их конфигурации, и разрабатывается различное программное обеспечение. Программное обеспечение контроллеров строится по модульному принципу, т. е. вместе с контроллером поставляется базовое программное обеспечение, представляющее собой набор стандартных программных модулей.

Автоматизированные системы управления часто строятся по многоуровневому принципу. Многие технологические агрегаты имеют свои собственные узлы управления, наделенные, в том числе и некоторыми элементарными автоматическими функциями. Обычно это выполнение определенных последовательностей действий для пуска или останова оборудования или простейшая автоматика безопасности.

Целью данной работы является разработка алгоритмов беспоисковой самонастройки с использованием косвенных оценок динамических свойств системы для параметрических систем управления нестационарными динамическими объектами. Работа направлена на повышение эффективности автоматизированных систем управления котельными установками.

Поставленная цель достигается путём решения ряда взаимосвязанных основных задач диссертационной работы, состоящих в следующем:

• разработать методику имитационного моделирования параметрических систем автоматического управления в нестационарных режимах с использованием для подстройки параметров информации о косвенной оценке динамических свойств системы.

• провести исследования косвенных оценок динамических свойств объектов автоматического управления с использованием экстремальных значений сигнала ошибки и его производной;

• синтезировать эффективные алгоритмы управления с параметрической подстройкой координатно-операторными обратными связями для микропроцессорных программируемых средств автоматики;

• провести оценку эффективности алгоритмов в соответствии с выбранными критериями, разработать цифровые алгоритмы и их программные реализации;

• применительно к контурам управления котельными агрегатами провести синтез и анализ систем управления в нестационарных режимах;

• разработать АСУТП котельными агрегатами с использованием микропроцессорных станций и сетевых технологий.

Разработка автоматических систем управления сложными технологическими объектами является крайне трудоемкой. Прежде всего, это связано с тем, что помимо непосредственного управления процессом автоматическим системам управления приходится эмулировать процесс экспертной оценки ситуации и оперативного принятия решения. Адекватно моделировать алгоритмический процесс мышления человека даже в рамках какой-либо узкой задачи достаточно сложно. Применение элементов искусственного интеллекта приводит к значительной громоздкости программного обеспечения, что, в свою очередь, увеличивает стоимость его разработки. Существует направление использования дескриптивных языков в системах искусственного интеллекта. Это частично решает проблему объема алгоритмической части программного обеспечения, но существует и другая проблема — объемы баз данных и знаний, используемых, получаемых и накапливаемых в процессе работы системы.

Аппарат по моделированию экспертной оценки ситуации уже достаточно хорошо разработан и широко используется. Экспертные системы широко применяются в самых различных отраслях промышленности. Применение экспертных систем значительно упрощает принятие решения в тех ситуациях, когда имеет место большое число оцениваемых внешних факторов. Другим неоспоримым достоинством современных разработок экспертных систем является механизм по сбору, накоплению и структуризации знаний и опыта, полученного в процессе работы. По исследованиям специалистов американского исследовательского центра «WHR» (World Human Research), занимающихся проблемами интеллектуализации вычислительной техники, способность человека корректно и своевременно оценивать ситуацию ограничивается максимум десятью внешними факторами. Для ЭВМ в области экспертной оценки ситуации, количество внешних обрабатываемых факторов может ограничиваться лишь быстродействием используемой платформы.

Использование систем искусственного интеллекта в автоматических системах управления помимо трудоемкости разработки программного обеспечения сдерживается также и несоответствием периодичности возникновения событий процесса и времени, необходимого на его обработку системой. Но, тем не менее, разработки по использованию систем искусственного интеллекта для полной автоматизации технологических процессов уже широко ведутся и, несомненно, появление первых интеллектуальных автоматических систем управления произведет революцию в промышленности и экономике всего мира.

Основное достоинство автоматизированных систем перед автоматическими системами — их значительно меньшая стоимость и практически повсеместная применимость. Задачи автоматизированных систем управления зачастую сводятся к сбору и хранению информации о ходе технологического процесса и оценке его состояния. Одной из наиболее важных функций автоматизированных систем управления является оповещение оператора об отличиях протекания производственного процесса от намеченной стратегии регулирования и, тем самым, отслеживание или даже предотвращение возникновения критических или аварийных ситуаций.

Автоматизированные системы управления проще с точки зрения, как разработки, так и внедрения, по сравнению с автоматическими системами. Более низкая себестоимость автоматизированных систем управления по сравнению с автоматическими системами определяется, прежде всего, тем, что редко используемые и трудно автоматизируемые технологические операции и принятие неадекватных решений по управлению процессом, связанных с необходимостью анализа ежеминутной ситуации процесса, истории его протекания, прогнозирования развития процесса, возлагаются на человеческий фактор.

Ранее для управления отдельными технологическими операциями применялись электрические аналоговые регуляторы. Современные автоматизированные системы управления строятся на базе промышленных электронных контроллеров, представляющих собой специализированные Микро-и Мини-ЭВМ технологического исполнения повышенной отказоустойчивости. Чаще всего применяют программируемые контроллеры, построенные по модульному принципу, позволяющему подключать к центральному процессорному модулю необходимое количество периферийных модулей, осуществляющих, например, сбор информации с датчиков, формирование управляющих сигналов для исполнительных механизмов, интерфейс с другими уровнями иерархии системы или другими системами и так далее.

Следует отметить, что программное обеспечение контроллеров также часто строится по модульному принципу, т. е. вместе с контроллером поставляется базовое программное обеспечение, представляющее собой набор стандартных программных модулей. Это в значительной степени облегчает процесс написания программ для конкретных систем управления и практически сводит его к подбору и конфигурированию стандартных базовых программных модулей.

Научная новизна работы заключается в следующем: 8.

1. На основе анализа косвенных оценок динамических свойств системы предложена методика их использования для синтеза адаптивных систем управления с параметрической коррекцией;

2. Предложена функциональная и алгоритмическая структура параметрических систем управления с координатно-операторными обратными связями на базе косвенных оценок динамических свойств нестационарных объектов;

3. Разработаны и исследованы алгоритмы функционирования и блок-схемы контуров параметрической настройки программируемых средств автоматики.

Разработанные параметрические алгоритмы управления могут быть использованы при проектировании и практической реализации автоматических систем управления тепловыми котельными установками.

Применение разработанного алгоритмического обеспечения позволяет обеспечить в нестационарных режимах работы завершение процесса самонастройки алгоритма к изменению параметров максимум за три переходных процесса и обеспечить с подстроенными параметрами алгоритма квазиоптимальные динамические свойства по интегральному квадратичному критерию.

Выводы по разделу.

В разделе представлены результаты разработки АСУТП котельными агрегатами на базе управляющих контроллеров с использованием разработанного алгоритмического обеспечения.

Произведено обоснование и выбор управляющего промышленного контроллера и промышленного коммуникационного оборудования включая сетевую поддержку АСУТП. На основании сравнительного анализа технологических программируемых управляющих контроллеров фирмы ЗипепБ, произведен выбор из семейства контроллеров 81тапйс модели 85−115 для создания АСУТП котельными агрегатами, позволяющий наращивать системы управления.

Принимая во внимание сильно возросшие, а последние годы коммуникационные возможности программируемых контроллеров реализацию АСУТП целесообразно проводить на разветвленных подсетях с шинной топологией в рамках корпоративных сетей с наличием межсекционных связей на базе мостов и маршрутизаторов.

Представлена применяемая конфигурация контроллера и рассмотрены основные принципы его работы. Контроллер построен по модульному принципу, допускает реализацию алгоритмического обеспечения с помощью типовых модулей и программирования разработанных алгоритмов управления.

Проведенная сравнительная оценка процессорных модулей позволила предложить типовые проектные решения реализации АСУТП котельными.

150 установками на базе контроллеров Simantic. Предложена схема взаимодействия компонент АСУТП и мнемосхема для отображения сигналов компонентов.

В состав разработанной системы вошли подсистемы «Контроль», «Технология», «Оператор», «Монитор», которые предусматривают возможность расширения АСУТП и ее модификацию на базе российских программируемых средств автоматики (ПСА).Разработано базовое алгоритмическое обеспечение ПСА на базе модульных и программируемых алгоблоков.

Для управления нестационарными динамическими объектами сформулированы требования к локальным технологическим станциям как многофункциональным специализированным устройствам с априори заданной библиотекой программ и функциями свободной программируемости.

Разработана функциональная структура, алгоритмы дискретной реализации систем с автоподстройкой параметров в нестационарных режимах.

Решена задача разработки сетевой структуры АСУТП на базе программируемых контроллеров и сетевых приложений.

Заключение

.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Применение алгоритмов с координатно — параметрической обратной связью и косвенной оценкой динамических свойств системы на базе экстремальных значений сигнала ошибки и его производной позволяет обеспечить:

• устойчивые динамические свойства систем при существенных параметрических возмущениях в объекте управления (до 2-х раз по параметрам К и Т за цикл подстройки) — асимптотическую сходимость систем в нуль пространства состояния при единичных возмущениях в указанных максимальных пределах;

• улучшение в 2н-3 раза значения интегрального квадратичного критерия качества, формирование квазиоптимальных динамических процессов после завершения формирования сигнал-оператора;

• возможность работы алгоритмов на априорно неопределенных по динамическим свойствам объектах, автоматизацию их параметрического синтеза в процессе эксплуатации;

2.Проведено исследование алгоритмов непосредственного цифрового управления для разработки библиотеки алгоритмов программируемых средств автоматики котельными агрегатами с целью достижения динамической точности в стационарных и нестационарных режимах.

3 .Представлены модули программной реализации алгоритмов непосредственного цифрового управления на базе ПИД регуляторов для объектов с переменным коэффициентом усиления, переменной динамикой и для объектов с преобладающим запаздыванием и с переменным коэффициентом усиления. Разработаны блок-схемы модулей и алгоритмы их дискретной реализации.

4. Приведены результаты исследования и автоматизации динамических свойств системы с адаптивным алгоритмом управления при управлении нестационарными динамическими объектами, результаты исследования динамики САУ с параметрической подстройкой алгоритма управления на базе косвенных оценок изменения параметрических возмущений показывают, что введение дополнительных координатно-параметрических обратных связей позволяет обеспечить высокие динамические свойства системы в нестационарных режимах.

5. Разработана имитационная модель САУ с введением параметрической подстройки алгоритма управления нестационарными динамическими объектами.

6. Разработаны алгоритмы управления для реализации АСУТП котельными агрегатами на базе управляющих контроллеров с использованием разработанного алгоритмического обеспечения.

7. Произведено обоснование и выбор управляющего промышленного контроллера Simantic модели S5−115 и промышленного коммуникационного оборудования, включая сетевую поддержку АСУТП. Контроллер построен по модульному принципу, допускает реализацию алгоритмического обеспечения с помощью типовых модулей и программирования разработанных алгоритмов управления.

8. Предложена схема взаимодействия компонент АСУТП. В состав системы вошли подсистемы «Контроль», «Технология», «Оператор», «Монитор», которые предусматривают возможность расширения АСУТП и ее модификацию на базе российских программируемых средств автоматики (ПСА).