Введение к работе
Актуальность работы. Автоматизация управления целым рядом технологических процессов на базе типовых законов регулирования (ПИ- и ПИД-регуляторов), когда требуется качественная отработка как задающего воздействия, так и возмущений, не дает удовлетворительных результатов. Это связано с тем, что типовые регуляторы, настроенные на оптимальную отработку задания, плохо отрабатывают возмущения, и наоборот, регуляторы, предназначенные для оптимальной компенсации возмущения, отрабатывают задание с низкими показателями качества. Такая ситуация возникает в автоматических системах регулирования (АСР) в супервизорном режиме управления, когда требуется отрабатывать изменения задающего воздействия с верхнего уровня управления, а также в каскадных АСР, в АСР соотношения технологических параметров (следящие АСР) и даже в обычных системах стабилизации при частых изменениях задания.
Способы повышения качества АСР при отработке как задающего воздействия, так и возмущений рассмотрены в работах Ф. Шински, К. Острема и Б. Виттенмарка, А.И. Бирмана и др. специалистов по автоматическому регулированию и сводятся, в основном, к коррекции работы отдельных составляющих закона управления путем исключения обработки ими задающего воздействия, а также с помощью установки инерционных звеньев или ограничителей скорости (динамическая балансировка) в канал задания. Каждому из этих способов коррекции закона управления присущи недостатки, связанные с их недостаточными функциональными возможностями, что уменьшает область применения регуляторов и снижает качество АСР.
Задачу повышения качества регулирования технологических параметров при отработке задающего воздействия предложено решить путем коррекции работы каждой составляющей закона управления в супервизорном ПИД-регуляторе, авторами изобретения которого являются сотрудники ТулГУ (Говоров С.А. и др.). Однако, в супервизорных регуляторах необходима коррекция всех составляющих закона регулирования не только по каналу задания, но и по каналу измеряемого возмущающего воздействия (при наличии датчика), а также по каналу дополнительной информации о регулируемом параметре. Например, для колонны синтеза метанола (КСМ) наиболее подходящими оказались супервизорные регуляторы с коррекцией всех составляющих закона регулирования по каналу задания и с дополнительной коррекцией этих составляющих по скорости изменения уровня воды в сосуде системы охлаждения КСМ. Уровень воды в сосуде быстрее реагирует на возмущения температурного режима в КСМ, чем сигнал с датчика основной регулируемой величины. Использование дополнительной информации позволяет значительно повысить качество регулирования температуры.
Таким образом, задача повышения эффективности АСР для рассматриваемого класса технологических процессов, функционирующих в режимах эксплуатации, когда требуется качественная отработка как задающего воздействия, так и возмущений, на основе дальнейшего расширения функциональных возможностей типовых промышленных регуляторов, а также разработка методов расчета их настроек и исследование способов их технической реализации продолжают оставаться актуальными.
Исследования, проводимые по теме диссертации, выполнялись в течение ряда лет в Тульском госуниверситете для автоматизации химико- технологических процессов в ОАО Щекиноазот и Тульском филиале ФГУП "Конструкторское бюро машиностроения" при финансовой поддержке РФФИ «Центр» № 07-01-96403 «Разработка методов математического моделирования сложных динамических объектов, работающих в условиях неопределенности».
Целью работы является повышение качества управления инерционными технологическими процессами в супервизорных режимах их эксплуатации, когда требуется качественная отработка как задающего воздействия, так и возмущений, путем разработки структур и методики расчета настроек супервизорных регуляторов с расширенными функциональными возможностями для управления этими процессами и исследование возможности технической реализации таких регуляторов на базе современных промышленных инструментальных программных и аппаратных средств.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи диссертационной работы:
- исследованы возможности существенного повышения качества управления инерционными технологическими процессами в супервизорных режимах, когда требуется качественная отработка как задающего, так и возмущающего воздействий, и для управления которыми могут быть применимы типовые ПД-, ПИ- и ПИД-регуляторы с дополнительным супервизорным блоком;
- разработана процедура формирования структур супервизорных регуляторов с расширенными функциональными возможностями, состоящая во введении коррекции всех составляющих закона регулирования по каналу задания, по каналу измеряемого возмущающего воздействия, а также по каналу дополнительной информации о регулируемом параметре;
- разработана методика расчета настроек супервизорных регуляторов и с ее помощью построены номограммы для инженерного выбора их настроек в промышленных условиях;
- исследованы динамические свойства систем управления объектами из рассматриваемого класса на основе предложенных супервизорных регуляторов с расширенными функциональными возможностями и показана целесообразность построения супервизорных АСР (АССР) для технологических процессов (ТП), функционирующих в режимах, когда требуется качественная отработка как задающего, так и возмущающего воздействий;
- исследованы возможности технической реализации супервизорных регуляторов и предложены варианты их реализации на базе промышленных регулирующих МПК типа Ремиконт Р-130 и др., выпускаемых российской промышленностью, а также средствами российской SCADA-системы Trace Mode;
- на основе предложенных супервизорных регуляторов разработаны АССР для ряда технологических процессов и экспериментально подтверждена способность предложенных регуляторов обеспечивать эффективное функционирование систем в режиме их эксплуатации, когда требуется качественная отработка как задающего, так и возмущающего воздействий.
Методы исследования. В работе поставленные задачи решаются на базе оптимизационно-имитационного подхода, теории дифференциальных уравнений, теории матриц, методов теории управления, а также машинных методов анализа сложных систем. При изучении свойств и получении результатов для конкретных автоматических систем с предлагаемыми супервизорными регуляторами широко использовались аналоговое и цифровое моделирование, экспериментальные исследования.
Достоверность и эффективность предложенных методов и алгоритмов подтверждаются результатами аналогового и цифрового моделирования, типовых испытаний, а также экспериментальными исследованиями супервизорных регуляторов и АСР реальных технологических процессов.
Научная новизна работы состоит в том, что показана возможность существенного повышения качества отработки как задающих, так и возмущающих воздействий АСР с помощью супервизорного блока преобразования задающего воздействия АСР в сигналы задания для каждой составляющей закона регулирования. Для ПИ-, ПИД- и ПД-регуляторов предложены структуры таких супервизорных блоков, осуществляющих коррекцию задания по каждой составляющей закона регулирования.
Разработаны многоканальные супервизорные регуляторы, обеспечивающие коррекцию составляющих закона регулирования по каналам задания, измеряемого возмущения и дополнительной информации о регулируемом параметре.
Предложена методика исследования и оптимизации динамики супервизорных АСР. Для типовых моделей динамики объектов управления разработаны номограммы по расчету параметров настройки супервизорных регуляторов.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
- супервизорные ПД-, ПИ- и ПИД-регуляторы расширяют функциональные возможности АСР, обеспечивают более высокое качество управления и позволяют еще более расширить класс инерционных технологических процессов различного промышленного применения (химическая и нефтехимическая технология, электротехнологические и теплоэнергетические процессы и др.), управление которыми может осуществляться в режимах, когда требуется высококачественная отработка как задающего, так и возмущающего воздействий;
- разработаны виртуальные схемы реализации на базе микропроцессорных контроллеров супервизорных регуляторов, позволяющих с высоким качеством отрабатывать как задающие, так и возмущающие воздействия, действующие на объект управления;
- разработаны методика и алгоритмы исследования и выбора настроек супервизорных регуляторов, проведен сравнительный анализ качества супервизорных АСР с расширением их функциональных возможностей, приведены практические рекомендации по применению этих АССР;
- получены номограммы и практические рекомендации для выбора параметров настройки супервизорных регуляторов различных типов;
- приобретен опыт применения супервизорных регуляторов с расширенными функциональными возможностями в АССР технологических процессов.
Реализация результатов работы. Предложена схемотехническая, программная и аппаратная реализация супервизорных регуляторов и АССР:
- для регулирующих микропроцессорных контроллеров (МПК) типа ПРОТАР и Ремиконт Р-130 разработаны алгоритмические структуры супервизорных регуляторов, пригодные для использования при разработке новых малоканальных МПК и программно-технических комплексов;
- разработан комплекс супервизорных регуляторов (СВР) с расширенными функциональными возможностями. СВР используются в АССР химико- технологических процессов синтеза метанола и ректификации метанола, а также в электротехнологических процессах с применением супервизорных регуляторов для следящего привода антенны радиолокационной станции.
Предложенные в диссертации методы расчета этих регуляторов положены в основу систем управления рядом технологических процессов.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались и опубликованы в сборниках трудов Международной студенческой научно-технической конференции (Белгород, 2001 г.), Ш Научно-технической конференции молодых ученых и аспирантов (Новомосковск, Тульской области, 2001 г.), Международных научных конференциях "Математические методы в технике и технологиях, ММТT-14 - 22" (Смоленск, Тамбов, Ростов на Дону, Кострома, Казань, Воронеж, Ярославль, Саратов, Иваново, 2001 г. – 2009 г.), Междунаpодной научно-технической конференции "Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании КТУДО" (Тверь, 2002 г.), II, Ш и IV Всероссийских научно-практических конференциях "Системы управления электротехническими объектами" (Тула, 2002 г., 2005 г., 2007 г.), Международной научно- практической конференции "Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии" (Белгород, 2007 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликованы 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для кандидатских диссертаций, 6 тезисов докладов в сборниках трудов Международных конференций, тезисы доклада в сборнике трудов Всероссийской конференции, получено решение о выдаче патента РФ на полезную модель “Cупервизорный ПИД-регулятор”.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по результатам исследования, списка литературы из 130 наименований и 5 приложений. Диссертация изложена на 186 страницах, иллюстрируется 87 рисунками, содержит 24 таблицы.
