Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы и постановка задачи 9
1.1. Вводные замечания по терминологии и свойствам объектов и систем управления 9
1.2. Регулирующие органы сельскохозяйственных технологических объектов 14
1.3. Управление угловой скоростью вращения ротора электродвигателя 25
1.4. Широтно-импульсное управление поворотом ротора электродвигателя 30
1.5. Задачи повышения эффективности управления технологическими объектами с электроприводами 33
1.6. Выводы по первой главе 35
2. Методы управления скоростью вращения ротора асинхронных электродвигателей 37
2.1. Управление скоростью вращения ротора двигателя изменением амплитуды первичного фазного напряжения 37
2.2. Управление скоростью вращения ротора двигателя изменением частоты первичного фазного напряжения 44
2.3. Выводы по второй главе 47
3. Методы идентификации объекта управления 49
3.1. Идентификация объекта в разомкнутой системе 49
3.2. Корреляционный метод идентификации объекта в замкнутой системе 55
3.3. Оптимизация пробных сигналов 58
3.4. Методы идентификации объекта в замкнутой системе при оптимальных пробных сигналах 68
3.5. Выводы по третьей главе 70
4. Разработка и внедрение методов адаптивного управления технологическими процессами 71
4.1. Оценки качества управления и их взаимосвязь 71
4.2. Методы адаптивной настройки микропроцессорных средств управления 81
4.3. Методы адаптивной настройки традиционных средств управления в действующих системах 91
4.4. Выводы по четвёртой главе 96
Общие выводы 98
Литература 100
Приложение
- Вводные замечания по терминологии и свойствам объектов и систем управления
- Управление скоростью вращения ротора двигателя изменением амплитуды первичного фазного напряжения
- Идентификация объекта в разомкнутой системе
- Методы адаптивной настройки микропроцессорных средств управления
Введение к работе
Наибольшие издержки сельскохозяйственных предприятий обусловлены расходами на корма, оборудование и энергоносители. В частности, расходы на эти цели животноводческих комплексов по производству говядины и свинины составляют ежедневно десятки миллионов рублей, приходящихся на один комплекс. Аналогичные затраты имеют место на тепличных комбинатах, птицефабриках, предприятиях по производству и переработке кормов, зерноочисти-тельно-сушильных пунктах и других технологических объектах сельскохозяйственного производства, так или иначе оснащённых управляемыми электроприводами.
Автоматизация указанных объектов - доступный и сравнительно легко реализуемый практический способ увеличения эффективности производства. В первую очередь это объясняется тем, что технологические аспекты большинства сельскохозяйственных технологических процессов в настоящее время отработаны достаточно полно, а резервы повышения их эффективности, связанные с качеством управления и уровнем автоматизации в целом, использованы в меньшей степени.
Указанные резервы повышения эффективности технологических процессов производства особенно велики в случае автоматизации объектов, оснащённых управляемыми электроприводами.
В связи с этим актуально решение проблемы повышения эффективности технологических процессов на рассматриваемых объектах, обеспечивающее значительную экономию энергетических и материально-сырьевых ресурсов и увеличение выхода продукции.
Различным вопросам теории и практики решения данной проблемы посвящены работы [1 ... 151].
5 Однако нерешёнными остаются задачи совершенствования методов управления сельскохозяйственными технологическими объектами с электроприводами, а также разработки соответствующих алгоритмических и программных средств их реализации.
Настоящая работа посвящена решению указанных выше задач, т.е. экономии энергетических, материально-сырьевых и трудовых ресурсов, а также увеличению выхода продукции сельскохозяйственных предприятий. Её результаты отражены в публикациях [152 ... 176] и некоторых материалах по внедрению в научно-исследовательские работы, производство и учебный процесс (Приложение) и использованы:
1. В госбюджетных № 20.2, № 30 и № 22 научно- исследовательских работах РГ АЗУ [152, 153, 155, 156, 161,163, 166, 172, 174];
2. В ЗАО «Агрофирма «Подмосковное»: - методы управления скоростью вращения асинхронных электродвигателей; - методы адаптивной настройки действующих систем управ ления технологическими процессами;
3. В учебном процессе Российского государственного аграр ного заочного университета (РГАЗУ).
Основное содержание диссертационной работы представлено в четырёх главах.
В первой главе изложены замечания по терминологии и свойствам объектов и систем управления, представленным матричными линейными дифференциальными уравнениями и передаточными функциями. Отмечено, что в сельскохозяйственном производстве имеют место самые разнообразные по своей природе потоки веществ и энергии. Для каждого из этих потоков применяют соответствующие его характеру регулирующие органы (РО). Рассмотрены основные РО сельскохозяйственных технологических объектов, области применения РО и их математические модели, а также способы управления РО с помощью асинхронных электродвигателей. Здесь же дан анализ известных решений с обоснованием необходимости их совершенствования, В заключение главы даны выводы, определяющие конкретные задачи диссертации.
Вторая глава посвящена разработке методов управления скоростью вращения ротора асинхронных электродвигателей, приводящих в действие те или иные РО разомкнутых систем. Установлены оптимальные законы управления скоростью вращения ротора асинхронного электродвигателя, как при изменении амплитуды фазного напряжения, так и при изменении его частоты. Глава завершается выводами с резюме о необходимости разработки методов адаптивного управления технологическими процессами как для вновь создаваемых, так и для уже действующих автоматических систем.
В третьей главе для адаптивного управления технологическими процессами рассматриваются наиболее совершенные и предлагаются новые эффективные методы идентификации объекта в разомкнутой и замкнутой системе. В заключение главы даются выводы с резюме о необходимости разработки методов адаптивного управления технологическими процессами, прежде всего, адаптивной настройки действующих автоматических систем, с использованием предлагаемых методов идентификации объекта.
Четвёртая глава посвящена разработке и внедрению методов адаптивного управления технологическими процессами с использованием различных технических средств: современных микропроцессорных средств и традиционных (аппаратных) средств, широко
7 распространённых в действующих системах управления в сельскохозяйственном производстве. Глава завершается выводами.
В приложении даны некоторые материалы по внедрению результатов диссертации в научно-исследовательские работы, производство и учебный процесс.
На защиту выносятся:
Метод управления скоростью вращения ротора асинхронного электродвигателя изменением амплитуды первичного фазного напряжения;
Метод управления скоростью вращения ротора асинхронного электродвигателя изменением частоты первичного фазного напряжения;
3. Оптимальный вид пробных сигналов, обеспечивающий достижение желаемой точности идентификации объекта управле ния при минимальных затратах времени на её проведение;
4. Методы идентификация объекта в замкнутой системе при оптимальных пробных сигналах;
5. Методы адаптивной настройки микропроцессорных средств управления;
6. Методы адаптивной настройки традиционных средств управления в действующих системах.
Диссертация выполнена на кафедре электрооборудования и автоматики РГАЗУ под руководством доктора технических наук, профессора Шаврова Александра Васильевича и доктора технических наук, доцента Солдатова Виктора Владимировича, которым автор выражает признательность и благодарность.
Автор выражает также благодарность инженеру Кудинову Александру Ивановичу и другим сотрудникам ЗАО «Агрофирма «Подмосковное», оказавшим содействие и помощь по внедрению результатов диссертации в производство.
Вводные замечания по терминологии и свойствам объектов и систем управления
Регулирующими органами могут быть как простые элементы (клапаны, задвижки, заслонки, делители напряжения и т.п.), так и достаточно сложные устройства (питатели, дозаторы, транспортёры, насосы, вентиляторы, компрессоры и т.п.) вплоть до роботов-манипуляторов.
В системах автоматического управления технологическими процессами применяют различные типы РО. Например, для регулирования расходов жидкостей и газов получили распространение дроссельные РО, представляющие собой переменные гидравлические сопротивления, которые управляют расходом среды изменением проходного сечения. Управление расходом жидких и газообразных сред возможно также изменением напора питающего насоса.
Управление разнообразными по своей природе потоками веществ и энергии, встречающимися в промышленном и сельскохозяйственном производствах, осуществляют соответствующими их характеру РО.
Для регулирования расхода сыпучих материалов применяют различные питатели: дисковые, шнековые, ленточные, лопастные, скребковые и другие.
Для твердых веществ штучного вида (корнеплоды и т.п.) используют скребковые или ленточные питатели. Для волокнистых веществ (солома, силос и т.п.) — битерные питатели. Для мелких плохо сыпучих веществ (комбикорма) - шнековые питатели. Для мелких хорошо сыпучих веществ (зерно, гранулы) - тарельчатые питатели и заслонки. Потоки смесей твердых веществ различной консистенции регулируют специальными устройствами, например двухвальными шнеками.
Устройства для регулирования потока жидких веществ выбирают в зависимости от их вязкости. Для тестообразных веществ (навоз, кормосмеси) используют шнековые или скребковые питатели. Для полужидких веществ (кормосмеси при влажности 70 %) - насосные установки. Для жидких веществ (вода) - насосы, клапаны, задвижки.
Потоки газообразных веществ регулируют включением или отключением компрессорных или вентиляционных установок, а также при помощи газовых клапанов, заслонок и т.п. Энергетические потоки и воздействия регулируют по видам энергии следующими устройствами: 1. Механическими: редукторами, вариаторами, муфтами скольжения, гидравлическими муфтами; 2. Электрическими: автотрансформаторами, электронными и магнитными усилителями; 3. Радиационными: затенителями, перемещением осветительных приборов; 4. Тепловыми (через устройства массообмена). Зависимость между входными и выходными величинами РО определяют в виде передаточных функций по конструктивным данным указанных установок. Поскольку устройства эти в подавляющем большинстве серийные, то, как правило, всю информацию для определения передаточных функций берут из паспортов или справочных источников. Для несерийных устройств передаточные функции могут быть определены аналитически или экспериментально.
В ряде случаев инерционность РО сопоставима с инерционностью самого объекта управления. Например, ОУ является теплица, а РО - стационарные отопительные батареи. Следует иметь в виду, что РО всегда расположены перед объектом управления, а их инерционность часто фактически равнозначна запаздыванию входного сигнала. Поэтому при выборе закона регулирования постоянную времени РО нередко учитывают в составе транспортного запаздывания объекта. Если же эта величина постоянной времени значительно меньше транспортного запаздывания объекта (менее 5 %), то ею пренебрегают. Например, когда транспортное запаздывание воды при ее подаче из артезианских скважин в башни составляет 2 - 5 минут, то постоянной времени разгона насоса (являющегося в данном случае РО), равным 2-3 секунды, можно пренебречь.
Соединение ИМ с РО должно обеспечивать перемещение последнего с возможно меньшими искажениями законов регулирования, формируемых системой управления. Качество работы РО в системе управления в значительной мере зависит от того, каким образом осуществляется соединение ИМ с РО. Способы этого сочленения определяются в каждом конкретном случае в зависимости от типа и конструкции РО и ИМ, их взаимного расположения, требуемого характера перемещения РО и других местных условий. Соединения выходного элемента ИМ с входным элементом РО могут быть непосредственными, жёсткими или тросовыми.
Непосредственное соединение выходного вала (штока) ИМ с валом или штоком РО является наиболее простым. Значения перемещений выходного устройства ИМ и подвижной части РО при этом способе сочленения одинаковы, а скорости равны. Подобные способы сочленения широко применяются при использовании электромагнитных ИМ, также многооборотных ИМ (электроприводов), приводящих в действие запорную трубопроводную арматуру.
Жёсткое соединение осуществляют при помощи рычагов или реечных передач. Это соединение может быть как линейным, так и нелинейным. При линейной жёсткой связи значения перемещений выходного вала ИМ и подвижного элемента РО различаются только масштабом. При нелинейной жёсткой связи можно создать неравные перемещения РО при относительно равных перемещениях выходного элемента ИМ, а также расширить границы возможного взаиморасположения РО и ИМ.
В системах автоматического управления и регулирования применение нелинейных кинематических связей между ИМ и РО при необходимости позволяет изменять расходные характеристики РО. Так, ограничив ход РО при полном ходе выходного устройства ИМ, можно использовать только благоприятный участок расходной характеристики. За счет соответствующего подбора длин соединительных звеньев можно получить такое сочленение, при котором начальным положениям выходного устройства ИМ соответствует меньший угол поворота РО, а конечным — больший. Одновременно этот способ позволяет выполнить спрямление характеристик РО.
Используемые в сельскохозяйственном и промышленном производствах РО можно разделить на три группы: РО объёмного типа, РО скоростного типа, РО дроссельного типа.
Управление скоростью вращения ротора двигателя изменением амплитуды первичного фазного напряжения
Автоматизация настройки систем управления технологическими процессами с использованием функций адаптации позволяет сократить сроки пуско-наладочных работ и увеличить экономическую эффективность производства. Перспективность широкого использования автоматизации настройки систем управления обусловлена бурным развитием вычислительной техники, в частности, микроЭВМ.
МикроЭВМ, как и любые другие устройства цифровой обработки сигналов, превосходят аналоговые устройства в силу высокой стабильности характеристик, отсутствия дрейфа нуля, высокой точности выполнения арифметических операций, возможности реализации сложных функций управления при малых габаритах и более высокой степени надёжности и других преимуществ. В настоящее время развитие систем цифрового управления идёт по двум направлениям [18].
Первое направление связано с использованием центральной управляющей микроЭВМ, когда её процессор обслуживает по очереди отдельные каналы управления сложным многомерным объектом или группой объектов. Эта очередь может осуществляться как по жёсткой программе, так и по мере поступления заявок от отдельных каналов, когда возможно использование приоритетного обслуживания.
Второе направление связано с использованием в каждом контуре управления автономной микроЭВМ, обычно называемой микроконтроллером. Микроконтроллер - упрощённый вариант микроЭВМ, реализующий те или иные алгоритмы управления одномерным объектом, т.е. объектом с одним входом управляющего воздействия и и одним выходом управляемой величины у (рис. 4.4). С помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) микроконтроллер (МК) может принимать для цифровой обработки такие аналоговые сигналы непрерывной части систем, как задание //3, управляемая величина у, положение регулирующего органа исполнительно элемента (ИЭ) и, возмущающие воздействия (нагрузка) Яу, Х\... Лп. Результат цифровой обработки этих сигналов с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) воздействует на ИЭ системы, т.е. используется для реализации управляющего воздействия и. В зависимости от структуры программного обеспечения МК рассматриваемой схеме могут отвечать системы различной степени адаптивности, включая и обычные системы комбинированного управления. Поэтому схеме (рис. 4.4) поставлена в соответствие виртуальная (кажущаяся) аналоговая структура (рис. 4.5), содержащая регулятор (Р) и его алгоритм адаптации (АА). Как известно [80], при достаточно малом периоде дискретности (квантования по времени) такая постановка справедлива и с точки зрения математического описания динамики управляемых процессов. Согласно представленной на рис. 4.5 структуре с помощью алгоритма адаптации осуществляется как скоростная настройка регулятора по заранее известной зависимости динамических свойств объекта управления от наиболее существенной мультипликативной нагрузки Л , так и коррекция этой зависимости на основе идентификации объекта в замкнутой системе путём обработки сигналов у и Р или у и ІЛ при различных значениях \. Последнее означает, что ввиду непредсказуемых изменений динамических свойств объекта управления предусматривается его активная идентификация, т.е. идентификация с применением пробного воздействия /?, а также пассивная идентификация, когда вместо ft используется естественное возмущение //, обусловленное, например, нестабильностью температуры теплоносителя, поступающего из теплосети для обогрева и обеспечения заданной технологией температуры у. Предлагаемый алгоритм адаптации представлен в работе [154]. Он условно делится на пять алгоритмических модулей (рис. 4.6): 1) модуль коррекции настройки цифрового регулятора системы при изменении контролируемой мультипликативной нагрузки объекта управления; 2) модуль подготовки системы к идентификации объекта управления в замкнутой системе; 3) модуль активной идентификации объекта управления в замкнутой системе; 4) модуль пассивной идентификации объекта управления в замкнутой системе; 5) модуль оптимизации параметров настройки цифрового регулятора системы. Априорная информация, необходимая для функционирования алгоритма, заносится в память МК в виде программы формуляра. Формуляр содержит адреса опрашиваемых параметров и их допустимые значения, амплитуду О оптимального пробного сигнала (3.54) - (3.56), интервал дискретности Л?, оценку длительности переходного процесса /0 = )Ф& и некоторые другие величины.
Идентификация объекта в разомкнутой системе
В противном случае её продолжают.
Рассмотренное построение алгоритма адаптации позволяет сочетать достоинства различных классов систем адаптивного управления: высокую скорость и точность автоматической настройки с общностью результатов, стремлением к минимизации необходимой априорной информации. Алгоритм реализуем как с помощью центральной микроЭВМ, так и на базе автономных микроконтроллеров. Традиционные технические средства управления (регулирующие приборы) всё ещё широко распространены на практике, причём их замена на микропроцессорные средства управления идёт пока крайне медленно. Контур адаптивной настройки традиционных технических средств управления почти всегда должен включать в себя человека-оператора. Исключение составляет приборы агрегатированного комплекса электрических средств регулирования (АКЭСР). Настройка регулирующих приборов системы АКЭСР может осуществляться электрическим сигналом, поступающим от ЭВМ. Однако эта система не получила заметного распространения на практике. Контур адаптивной настройки можно подключать к действующей системе управления (ДСУ) лишь эпизодически, если непредвиденные изменения динамических свойств объекта управления протекают сравнительно медленно. Более того, функция подключаемого устройства может заключаться лишь в целенаправленном выявлении (идентификации) некоторых динамических свойств ДСУ, быстро приводящем к её оптимальной настройке. В этом случае человек-оператор вводит результаты идентификации ДСУ в портативную микроЭВМ и по полученным с её помощью результа 92 там вручную корректирует настройку регулятора. Следуя [171], рассмотрим соответствующую процедуру идентификации-оптимизации ДСУ. Как известно [1, 5, 57 - 59, 87], подключаемые к ДСУ устройства идентификации содержат два последовательно соединённых элемента: нелинейный элемент (НЭ), обычно двухпозиционное реле, и линейный динамический элемент (ЛДЭ) со специально подобранными свойствами, причём эти свойства в устройстве можно исключить, шунтируя ЛДЭ кнопкой (К) (рис. 4.7). Управляемая величина через НЭ и ЛДЭ (или НЭ и К) поступает на отрицательный вход элемента сравнения ДСУ. При надлежащем выборе характеристик НЭ в полученном контуре идентификации возникают автоколебания, амплитуда и период которых могут быть по желанию изменены в нужном направлении изменением настройки регулятора ДСУ и (или) подключаемого к ней устройства. Возбуждаемые в контуре автоколебания обычно имеют достаточно высокую частоту, так что высшие гармоники на входе НЭ практически полностью отфильтровываются в линейной части системы, что, как известно [80], позволяет проводить анализ автоколебаний методом гармонического баланса. Пусть — комплексная частотная харак теристика ДСУ от задания JU3(t) до управляемой величины y[t). Тогда при замкнутой кнопке К частота 0\ возникающих в ДСУ автоколебаний определяется точкой пересечения годографа М\гео) с отрицательной вещественной полуосью, когда ІуЩ ) = 0. При надлежащем выборе ЛДЭ и разомкнутой кнопке К частота 6 соответствующих автоколебаний определяется точкой пересечения годографа Мугсо) с отрицательной мнимой полуосью, когда Д(йЪ) = 0. Пусть в ДСУ использован ПИД-регулятор с КЧХ а динамические свойства объекта управления в существенном для расчёта настройки диапазоне частот определяет модель 6(/)S (to)e- (ffl)+ /23 = - - /(/0об +1)", (4,22) где р 7и д - установленные в регуляторе (4.21) параметры настройки: коэффициент передачи, постоянные времени интегрирования и дифференцирования параметры объекта, которые могут в достаточно широких пределах медленно изменяться во времени при неизменной структуре модели (4.22). Тогда для оценки параметров модели (4.22) и коррекции по ней параметров настройки регулятора (4.21) методом вспомога 94 тельной функции человеку-оператору достаточно фиксировать пе риоды 7j 2 = 1ft / в\ 2 и соответствующие им амплитуды автоколе баний, введя их значения в портативную микроЭВМ. Эти амплиту ды определяют значения.
Методы адаптивной настройки микропроцессорных средств управления
Улучшение экономической эффективности производства связано с разработкой методов многокритериального управления технологическими процессами в условиях неопределенности: при недостатке информации о параметрах автоматической системы и их изменчивости, при недостатке информации о статистических характеристиках возмущающих воздействий и её отсутствии.
В целях повышения эффективности указанных методов улучшены разработанные ранее специальные оценки качества управления в переходных и установившихся режимах работы системы.
Используя методы идентификации объекта в замкнутой системе при оптимальных пробных сигналах, с учётом полученных оценок качества управления разработаны эффективные методы адаптивной настройки микропроцессорных средств управления объектами с электроприводами.
Разработаны эффективные методы адаптивной настройки традиционных средств управления в уже действующих автоматиче ских системах. Эффективность разработанных методов подтверждена практикой настройки регуляторов температуры воздуха в теплицах ЗАО «Агрофирма «Подмосковное». Совершенствование методов управления сельскохозяйственными технологическими объектами с электроприводами -важный резерв экономии энергетических, материально-сырьевых ресурсов и увеличения выхода продукции. 2. Для разомкнутых автоматических систем разработан оптимальный по быстродействию метод управления скоростью вращения ротора асинхронного электродвигателя изменением амплитуды первичного фазного напряжения. 3. Для разомкнутых автоматических систем разработан оптимальный по быстродействию метод управления скоростью вращения ротора асинхронного электродвигателя изменением частоты первичного фазного напряжения. 4. Разработан оптимальный вид пробных сигналов, обеспечивающий достижение желаемой точности идентификации объекта управления при минимальных затратах времени на её проведение. 5. В целях повышения эффективности методов многокритериального управления технологическими процессами в условиях неопределённости улучшены специальные оценки качества управления в переходных и установившихся режимах работы замкнутых систем. 6. Разработаны методы идентификации объекта в замкнутой системе, позволяющие увеличить темп адаптивной настройки систем управления. 7. Используя методы идентификации объекта в замкнутой системе при оптимальных пробных сигналах, с учётом полученных оценок качества управления разработаны эффективные методы адаптивной настройки микропроцессорных средств управления объектами с электроприводами. 8. Разработаны эффективные методы адаптивной настройки традиционных средств управления сельскохозяйственными технологическими объектами с электроприводами в уже действующих автоматических системах. 9. Эффективность разработанных методов подтверждена практикой настройки регуляторов температуры воздуха в теплицах ЗАО «Агрофирма «Подмосковное».
