Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние и новые задачи автоматизации многозонных экструдеров на современном этапе 17
1.1. Обеспечение температурного профиля - главная задача систем автоматизации экструдера 17
1.2. Состояние с автоматизацией многозонных экструдеров 21
1.3. Новые задачи по автоматизации экструдеров в свете современных методов и технических средств автоматизации 27
1.4. Постановка задач исследований и разработок 31
ГЛАВА 2. Исследование возможности применения адаптивных и нечетких позиционных алгоритмов и алгоритмов интуитивного управления для решения задачи высокоточного поддержания требуемого температурного профиля 33
Введение 33
2.1. Тепловая динамическая модель экструдера как объекта с распределенными параметрами 34
2.2. Адаптивные 2-х и 3-х позиционные алгоритмы и создание на их основе систем регулирования температурного профиля экструдера 41
2.2.1. Варианты адаптивных позиционных алгоритмов управления экструдером 45
2.3. Нечеткие позиционные алгоритмы управления и их применение в экс тру дерах 65
2.4. Интуитивные алгоритмы и их применение для поддержания температурного профиля экструдера 71
Выводы по главе 2 74
ГЛАВА 3. Синтез адаптивных и нечетких позиционных, а также интуитивных систем управления экструдером 75
Введение 75
3.1. Аппаратная реализация некоторых алгоритмов позиционного управления экструдером 76
3.1.1. Реализация шестого варианта алгоритма - дискретное изменение скважности импульсов напряжения на нагреватель .76
3.1.2. Реализация адаптивных трехпозиционных регуляторов с расширенными возможностями и улучшенными характеристиками 82
3.1.3. Реализация седьмого варианта алгоритма - дискретное изменение напряжения на нагреватель 87
3.1.4. К реализации первого варианта алгоритма регулярным методом 89
3.2. «Закрытые» программные системы управления экструдером.. 90
3.3. «Открытые» программные системы управления экструдером. 93
3.3.1. Реализация на базе SCADA систем .96
3.3.2. Реализация на базе универсальной программы логического управления 99
3.4. К синтезу и возможности использования интуитивных систем управления экструдером 104
Выводы по главе 3 106
ГЛАВА 4. Информационные задачи в обеспечении поддержания температурного профиля экструдера 108
Введение 108
4.1. Определение информации о температуре в точке датчика, вышедшего из строя 110
4.2. Выбор числа датчиков и определение мест их установки по данным требуемых температурных профилей 114
4.3. Оптимальный сбор измерительной информации с учетом динамики зон и их взаимовлияния друг на друга 117
4.3.1. Постановка задачи 119
4.3.2. Решение задачи 131
4.3.3. Анализ поставленной задачи и полученных результатов 132
4.4. Техническая реализация систем управления с использованием системы оптимального сбора измерительной информации 136
Выводы по главе 4 140
Выводы и основные результаты работы 142
Библиографический список 144
Приложение 151
- Новые задачи по автоматизации экструдеров в свете современных методов и технических средств автоматизации
- Интуитивные алгоритмы и их применение для поддержания температурного профиля экструдера
- Реализация шестого варианта алгоритма - дискретное изменение скважности импульсов напряжения на нагреватель
- Определение информации о температуре в точке датчика, вышедшего из строя
Введение к работе
Актуальность работы. Производство полимерных материалов, являющихся творением ума и рук человека, все более увеличивается, как в силу того, что они заменяют собой природные материалы, являясь более конкурентно способными в сравнении с ними (по стоимости, техническим и дизайнерским характеристикам и др.), так и в силу относительной простоты их получения и не дефицитности сырья.
При этом технология переработки пластмасс развивается, в частности, по трем направлениям: разработка новых видов полимерных материалов; дальнейшее развитие машин по их переработке; автоматизация и оптимизация условий их переработки, причем, все три направления, как правило, тесно связаны между собой
Кроме того, развитие этих трех направлений тесно связано с требованиями к улучшению качества конечной продукции, экономии сырья и энергии, улучшению использования машин, что во многом обеспечивается совершенствованием систем контроля, регулирования и управления соответствующим технологическим оборудованием по переработке пластмасс.
Несмотря на большие внешние изменения, связанные с применением микропроцессорной техники, произошедшие в части визуализации, представления и сохранения информации, проведения экструзионных процессов, как одного из видов процессов по переработке пластмасс, это не привело к сколько-нибудь заметным изменениям в части построения автоматических систем регулирования (АСР) и управления, по меньшей мере в отношении их алгоритмов и, соответственно, качественных показателей работы. Возможности микропроцессорной техники используются недостаточно в части применения современных методов и систем управления для целей улучшения качественных показателей проведения экструзионных
процессов, в части повышения безотказности и работоспособности эструзионных машин, оптимального сбора измерительной информации для создания и усовершенствования систем регулирования и управления, минимизации числа датчиков для получения адекватной информации.
Иначе, новые возможности современных методов и систем управления, а также технических средств автоматизации в области многозонных экструдеров, вопросам автоматизации которых посвящена данная диссертационная работа, далеко не исчерпаны, что делает исследования и разработки в этой области весьма актуальными.
Актуальность работы еще более возрастает, если учесть, что исследования проводятся по применимости для целей управления экструдерами адаптивных и нечетких позиционных систем, являющихся по своей сути системами логического управления (СЛУ), систем интуитивного управления, системы оптимального сбора измерительной информации. Использование последних для целей управления так же тесно связано с необходимостью применения методов анализа и синтеза СЛУ, как и в случае программных методов реализации индикаторов отказа и сохранения работоспособности систем управления, рассматриваемых в диссертации.
Цель работы заключается в исследовании возможности применения для высокоточного поддержания требуемого температурного профиля многозонного экструдера адаптивных и нечетких позиционных алгоритмов и алгоритмов интуитивного управления, а также системы оптимального сбора измерительной информации и применения методов обработки измерительной информации для повышения работоспособности экструдера с уменьшением устройств ее сбора.
Предмет исследования: Многозонный экструдер, как объект управления с распределенными параметрами (ОРП), системы управления его температурным режимом (адаптивные и нечеткие позиционные, интуитивные обучаемые и интуитивно-эталонные), а также система
7 оптимального сбора измерительной информации с экструдера и системы управления температурным режимом экструдера на ее основе.
В связи с поставленной целью и предметом исследования в данной работе решались следующие задачи:
[.Систематизация существующих и разработка новых 2-х и 3-х позиционных адаптивных алгоритмов, пригодных для создания систем высокоточного регулирования температурного профиля экструдера.
2.Разработка нечетких позиционных и интуитивных алгоритмов для достижения цели работы.
3.Аппаратный и программный синтез адаптивных и нечетких позиционных, а также интуитивных систем для управления температурным полем экструдера.
4.Разработка методик регулярного синтеза вышеназванных программных систем регулирования «открытого» типа.
5.Разработка методик сбора и обработки измерительной информации, обеспечивающих работоспособность экструдера в случае сбоев датчиков сбора информации или уменьшения их числа до числа, меньшего числа зон, не приводящего к потере полноты и адекватности получаемой информации. 6.Разработка тепловой динамической модели экструдера, как ОРП, для целей оценочной настройки параметров исследуемых систем и расчета системы оптимального сбора измерительной информации.
7.Создание методики построения системы оптимального сбора измерительной информации с экструдера и разработка систем управления его температурным режимом с использованием этой системы. В работе защищается:
тепловая динамическая модель экструдера, как объекта с распределенными параметрами;
алгоритмы адаптивного и нечеткого позиционного регулирования, а также интуитивные алгоритмы управления и создание на их основе
8 систем поддержания температурного профиля в многозонном экстру дере;
способы аппаратной реализации алгоритмов адаптивного позиционного управления экструдером, в том числе, с расширенными возможностями;
методика регулярного синтеза «открытых» программных систем управления экструдером;
методика определения температуры в точке датчика, вышедшего из строя, и методика выбора числа датчиков (меньшего числа зон) и определения мест их установки по данным требуемых температурных профилей для материалов, обрабатываемых в экстру дере;
методика построения системы оптимального сбора измерительной информации с экструдера и систем управления его температурным профилем с использованием этой системы.
Научная новизна работы заключается в обосновании возможности эффективного применения для поддержания температурного профиля многозонного экструдера адаптивных и нечетких позиционных систем регулирования, интуитивных систем управления и систем управления с оптимальным сбором измерительной информации, а также разработке методов синтеза этих систем. Это обоснование производится, в том числе, с использованием предложенной новой тепловой динамической модели экструдера,
Наряду с известными способами (алгоритмами) адаптивного
трехпозиционного регулирования, примененными для поддержания
температурного профиля экструдера, предложен новый, более надежный,
способ такого же регулирования с бесконтактным подключением
функционального звена перенастройки (ФЗП) адаптивной средней позиции, защищенный патентом, а также алгоритм нечеткого позиционного управления им.
Разработаны новые методики для: 1) определения температуры в точке датчика, вышедшего из строя, позволяющая повысить работоспособность
экстру дера; 2) выбора числа датчиков (меньшего числа зон), устанавливаемых во вновь проектируемом экструдере, и определении мест их установки для реализации в экструдере требуемых профилей прогрева материалов; 3) создания системы оптимального сбора измерительной информации с экстру дера.
Практическая ценность:
предложено 9 вариантов адаптивных позиционных алгоритмов, пригодных для поддержания температурного профиля в экструдерах, в зависимости от тех или иных особенностей (конструктивных, требуемого температурного профиля для получения того или иного конечного продукта, способов реализации алгоритмов и иных).
Наряду с адаптивными предложены варианты нечетких позиционных и интуитивных алгоритмов для выполнения главной задачи систем автоматизации экструдера - поддержание требуемого температурного профиля по длине экструдера.
Методика аппаратной и программной реализации названных алгоритмов показана на примерах, причем, как путем регулярных, так и индивидуальных подходов. Регулярный подход к аппаратной реализации основан на построении устройства управления по стандартной позиционной структуре (СТПС). Этот же подход рекомендован при создании FBD -программ управления экструдером на базе SCAD А системы Trace Mode. В качестве другого подхода к созданию «открытых» программных систем управления экструдером рекомендовано использовать универсальную программу логического управления, созданную на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Новомосковского института РХТУ им. Д.И. Менделеева.
До методических и инженерных рекомендаций доведены методики создания системы оптимального сбора измерительной информации, определения информации о температуре в точке датчика, вышедшего из
строя, выбора числа датчиков (меньшего числа зон) и мест их установки для вновь проектируемых экструдеров с известными требуемыми температурными профилями для обрабатываемых материалов.
Даны три варианта схем поддержания требуемого температурного профиля в экструдере с использованием системы оптимального сбора измерительной информации.
Достоверность полученных научных результатов, выводов и практических рекомендаций подтверждается теоретическими выкладками, доказательствами, инженерными расчетами, результатами практического использования предложенных алгоритмов и систем на ряде экструдеров. Возможность использования интуитивных систем управления подтверждена их аналогичностью варианту системы управления температурным полем экструдера с использованием системы оптимального сбора измерительной информации, полученной расчетным путем.
Методика исследования базируется на методах анализа и синтеза СЛУ, имитационном моделировании задач и результатов их решения на ЭВМ, использовании математического аппарата сетей Петри и графов операций, структурном моделировании динамических систем,, на применении методов оптимизации (метод скользящего допуска и деформированного многогранника Нельдера-Мида), на использовании методов наименьших квадратов (МНК) и интерполяции, на графовом, табличном и алгебраическом представлении логических алгоритмов и их представлении в виде блок-схем программ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на 14, 15 и 16 Международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ): г. Смоленск, 2001 г., г. Тамбов, 2002 г. и г. Ростов на Дону, 2003 г; на 16 Международной конференции молодых ученых «Успехи в химии и химической технологии», г. Москва, 2002 г.; на 3, 4 и 5 научно-технических конференциях молодых
ученых, аспирантов и студентов Новомосковского института РХТУ им. Д.И.Менделеева (2001,2002,2003 г.г.).
Реализация результатов. Отдельные алгоритмы поддержания температурного поля экструдера были опробованы на экструдере фирмы «Виндмеллер и Хельшер» (W&H) на ОАО «Полимерконтейнер», г.Новомосковск, а именно: аппаратная реализация 3-х позиционного алгоритма с дискретным изменением скважности импульсов адаптивной средней позиции (алгоритм №6); программная реализация адаптивного 3-х позиционного алгоритма регулирования температуры зоны экструдера при трех секционном нагревателе зоны (алгоритм №1).
Для промышленного внедрения туда же переданы рекомендации по модернизации системы управления экструдером путем использования сигнала системы оптимального сбора измерительной информации в качестве сигнала коррекции автономных АСР температуры зон.
Кроме того, передана методика определения температуры в точке датчика, вышедшего из строя.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ: 7 статей и 5 тезисов докладов, а также получен патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на
153 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов,
библиофафи чес кого списка (69 наименований) и приложения. Работа содержит 31 рисунок и 14 таблиц.
Новые задачи по автоматизации экструдеров в свете современных методов и технических средств автоматизации
Появление микропроцессоров и микроконтроллеров, а также промышленных микропроцессорных комплексов [31] с их неограниченными возможностями по реализации практически любых алгоритмов управления и обработке информации, появление многочисленных SCAD А систем [32], реализуемых на этих комплексах, и современных средств отображения информации позволяет по новому взглянуть и на задачи по автоматизации многозонных экструдеров на современном этапе [33].
Сформулируем некоторые наиболее актуальные из этих задач:
1. Высокоточное поддержание требуемого температурного профиля путем создания соответствующих систем на основе современных законов и методов управления и регулирования.
2. Выбор числа датчиков (естественно, меньшего числа зон) и мест их установки для получения адекватной информации о требуемых (в зависимости от обрабатываемого материала) температурных профилях по длине шнековой части вновь проектируемого экструдера.
3. Оптимальный сбор информации для целей ее использования в системе поддержания требуемого температурного профиля с учетом динамики зон и взаимовлияния их друг на друга.
4. Изменение конструкции ряда узлов экструдера для применения современных систем и методов управления.
5. Создание методики определения информации о температуре в точке датчика, вышедшего из строя.
Охарактеризуем кратко суть каждой из названных задач, дав им, в основном, словесную постановку.
В качестве базы для решения первой задачи предлагается использовать различные варианты электронных адаптивных 2-х и 3-х позиционных регуляторов или программ, реализующих их алгоритмы [34]. Особенностью предлагаемых алгоритмов является возможность их применения как индивидуально для каждой из зон экструдера при одновременном включении всех секций нагревателя зоны, так и для каждой из секций нагревателя зоны или их сочетаний, а также для сочетаний нагревателей совокупности зон. Это обеспечивает более гибкое управление в сравнении с традиционным и, соответственно, более точное поддержание требуемого профиля. Кроме того, благодаря адаптации управляющих воздействий к нагрузке объекта обеспечивается сбережение электроэнергии, в том числе за счет практического отказа при таком управлении от работы вентиляторов (систем охлаждения).
Наряду с адаптивными позиционными системами регулирования для решения задачи предлагается использовать нечеткие [35,36], а также интуитивные системы управления [37].
Наконец, для решения этой задачи предлагается создать системы управления с использованием системы оптимального сбора измерительной информации с экструдера, т.е. с использованием результатов решения третьей из вышеназванных задач.
При этом вне зависимости от используемых для решения главной задачи автоматизации экструдера систем управления на формализованном языке ее можно записать в виде:
При этом в качестве Q могут быть ограничения по мощности управляющих воздействий, по допустимым значениям температуры и скорости прогрева материала и другие технологические и конструктивные ограничения.
Вторая задача сводится к тому, чтобы профиль температуры, рассчитанный, например, методом наименьших квадратов (МНК) или одним из методов интерполяции, по информации о требуемых значениях температуры с выбранных мест установки датчиков и выбранном их числе, минимально отличался по длине рабочей области экструдера от требуемых профилей. Иначе необходимо выбрать число (п) и места расположения (he) датчиков температуры для вновь проектируемого экструдера так, чтобы модуль отклонения Д0(І) расчетного вр(С) и требуемых профилей 0 р(О был минимальным и не выходил за допустимую долю отклонения j Аб( ) от значений 0 P(f) (р =1,S) при п г, где г - число зон, р - индекс профиля, S - число заданных требуемых температурных профилей, і - текущая координата профиля.
Третья задача определяет оптимальный сбор информации о температуре по всей рабочей длине экструдера с учетом влияния «чужих» (не своей зоны) и «своих» управляющих воздействий, т,е. ее сбор с учетом динамики как данной зоны, так и влияния, например, предшествующих зон на последующие, а также важности тех или иных точек измерения.
В наиболее простом случае эта задача приводит к нахождению той или иной весовой функции распределенного контроля gi (h) [38], а реализация системы управления сводится к дополнительному сбору информации с некоторых из датчиков, установленных на экструдере, сигналы которых определенным образом обрабатываются (домножаются на весовые коэффициенты, складываются, усредняются, сравниваются с внешним сигналом).
Интуитивные алгоритмы и их применение для поддержания температурного профиля экструдера
Данный вариант в аппаратном исполнении был внедрен на заводе «Полимерконтсйнер» (г. Новомосковск) для управления 9-ти зонным экструдером фирмы «Виндмеллер и Хельшер», и защищен патентом [45] и описан в [43]. Блок-схема такого адаптивного трехпозиционного регулятора (АТПР) зоны экструдера с дискретным изменением скважности выходных импульсов адаптивной средней позиции представлена на рис. 3.1. Регулятор содержит мультиплексор I, элементы «И» - 2, «ИЛИ» - 3, два инвертора 4,5 и два задатчика зоны нечувствительности 6,7, которые подключены к первому и второму входам двухпорогового компаратора 8. Его третий вход является входом регулируемой величины, в качестве которой выступает напряжение Ue пропорциональное ее значению. Кроме того, регулятор содержит реверсивный двоичный (или двоично-десятичный) счетчик 9, таймер-генератор (или генераторы прямоугольных импульсов ГПИ) 10, а также кнопку 11, соединенную со входом обнуления счетчика R() и синхронизирующим входом С через элемент задержки 12, предназначенную для обнуления и установки исходного значения средней позиции. Суммирующий (+1) и вычитающий (-1) счетные входы счетчика 9 соединены соответственно через инверторы 4 и 5 с первым и третьим выходами компаратора 8, а его выходы Qt - Q4 с соответствующими управляющими входами мультиплексора 1. Входные каналы мультиплексора соединены с выходными каналами 0-7 тай мер-генератора (или ГПИ) 10, а его выход через элемент «И» (2), второй вход которого соединен со вторым входом компаратора 8, и элемент «ИЛИ» (3) с первым выходным каналом «а» управления позициями регулятора. Второй выходной канал «в» соединен с суммирующим (+1) входом счетчика 9, а его вычитающий (-1) со вторым входом элемента «ИЛИ» - 3. Регулятор работает следующим образом. При значениях U UC U2, где Ui и 1Ь заданные значения регулируемой величины (Ui Ui), определяющие зону нечувствительности регулятора, на всех трех выходах компаратор 8 имеет единичный уровень сигнала, а на выходах инверторов 4, 5 - нулевые.
При превышении входным сигналом Ue значения U2, то есть при появлении условия Ue U2, и на выходе инвертора 4 появляется единичный сигнал, увеличивающий счет счетчика 9 и поступающий также в канал управления «в» регулятора, для включения его нижней фиксированной позиции (регулятор с обратной статической характеристикой). При снижении входного сигнала Uc за значение U], т.е. при условии Ut. Ub имеем единичный сигнал на выходе инвертора 5 и в канале управления «а» регулятора с выхода элемента ИЛИ-3 на включение верхней позиции регулятора и, соответственно, уменьшение счета счетчика 9.
Двоичное значение сигнала счетчика - его выходной код - является управляющим входным кодом мультиплексора 1, соединяющим соответствующий коммутирующий входной канал мультиплексора (0-7) с выходным. При этом в выходной канал мультиплексора поступают прямоугольные импульсы соответствующей скважности, показанные на рис. 3.2 с соответствующих выходных каналов (0-7) таймер-генератора, блок-сема которого показана на рис, 3.3. Ту же задачу можно решить путем подключения к входным канала мультиплексора (0-7) ГПИ с соответствующей скважностью.
При поступлении единичного сигнала на второй вход элемента «И» (2) с компаратора 8, т.е. при нахождении регулируемой величины в зоне (Ui Ue U2), и поступлении на первый его вход прямоугольных импульсов с мультиплексора 1 аналогичные импульсы формируются на выходе элемента «ИЛИ» (3), т.е. в канале управления «а» регулятора, что соответствует сигналам адаптивной средней позиции в виде выходных импульсов с дискретной скважностью.
Таймер-генератор 10 (рис. 3.3) может быть построен, например, следующим образом. С тактового генератора 13 сигнал поступает на цепочку делителей частоты на базе двоичных счетчиков 14. С последнего подаются выходные сигналы на дешифратор 15, например, на базе двухвходовых элементов И-НЕ.
Конкретная блок-схема электронного адаптивного регулятора, разработанного в соответствии с блок-схемой (рис. 3.1) для автоматизации экструдера приведена на рис. 3.4, а блок-схема силового блока на рис. 3.5. (па них буквой В обозначен канал включения вентилятора, а Н - нагревателя). При этом силовой блок выполнен по бесконтактной схеме на базе симисторов. В качестве контактной группы «меныне»-«больше» может использоваться контактная группа различных измерителей температуры, например, многоканального измерительного преобразователя МИЛ Ш-711, фирм «Овен», г. Москва, «Асма», г. Тула или «Термодат», г. Пермь.
Реализация шестого варианта алгоритма - дискретное изменение скважности импульсов напряжения на нагреватель
Как показала практика названного выше числа значений адаптивной средней позиции для качественного регулирования зоны может оказаться недостаточно. Поэтому были предприняты исследования и разработки по модернизации этого алгоритма и регулятора [57].
Для. увеличения числа возможных значений адаптивной средней позиции был модернизирован таймер-генератор. Были использованы четыре выхода реверсивного счетчика, т.е. получено 24=16 значений адаптивной средней позиции. Кроме того, были расширены его возможности по выбору периода импульсов. Если в исходном таймер-генераторе период был постоянным и равен 16 с, то в модернизированном он может варьироваться от 1 с до 99 с или от 1 мин до 99 мин (с дискретностью установки равной 1 единице) путем соответствующего выбора одной из двух частот задающего генератора и последующего ее деления на двоичном счетчике.
Другая модернизация, направленная прежде всего на повышение надежности работы АТПР, сводилась к подключению функционального звена перенастройки (ФЗП) адаптивной средней позиции на бесконтактной основе с использованием построения АТПР по эквивалентной структуре [58]. Блок-схема такого регулятора показана на рис. 3.6. В зависимости от выбора вида ФЗП можно реализовать аналоговую перенастройку адаптивной средней позиции (как в алгоритме по способу [54]), позиционную (как в регуляторе [59]) или импульсную, как в вышерассмотренном алгоритме.
Регулятор, построенный по этой схеме, работает следующим образом.
Элемент сравнения 1 предназначен для сравнения сигналов задания зоны нечувствительности уі и у2 с сигналом у регулируемой величины.
Как показала практика названного выше числа значений адаптивной средней позиции для качественного регулирования зоны может оказаться недостаточно. Поэтому были предприняты исследования и разработки по модернизации этого алгоритма и регулятора [57].
Для. увеличения числа возможных значений адаптивной средней позиции был модернизирован таймер-генератор. Были использованы четыре выхода реверсивного счетчика, т.е. получено 24=16 значений адаптивной средней позиции. Кроме того, были расширены его возможности по выбору периода импульсов. Если в исходном таймер-генераторе период был постоянным и равен 16 с, то в модернизированном он может варьироваться от 1 с до 99 с или от 1 мин до 99 мин (с дискретностью установки равной 1 единице) путем соответствующего выбора одной из двух частот задающего генератора и последующего ее деления на двоичном счетчике.
Другая модернизация, направленная прежде всего на повышение надежности работы АТПР, сводилась к подключению функционального звена перенастройки (ФЗП) адаптивной средней позиции на бесконтактной основе с использованием построения АТПР по эквивалентной структуре [58]. Блок-схема такого регулятора показана на рис. 3.6. В зависимости от выбора вида ФЗП можно реализовать аналоговую перенастройку адаптивной средней позиции (как в алгоритме по способу [54]), позиционную (как в регуляторе [59]) или импульсную, как в вышерассмотренном алгоритме.
Регулятор, построенный по этой схеме, работает следующим образом.
Элемент сравнения 1 предназначен для сравнения сигналов задания зоны нечувствительности уі и у2 с сигналом у регулируемой величины. Пороговые устройства 2 обеспечивают пороговые (скачкообразные) изменения сигналов, соответствующих позициям регулятора, причем, значения сигналов крайних позиций - верхней UB и нижней U,, имеют равные по модулю значения AUi относительно сигнала средней позиции Ucp. Переключение сигналов позиций с нижней на среднюю и со средней на верхнюю или наоборот происходит при достижении величиной у соответствующих сигналов заданий зоны у[ или у2, т.е. при вхождении (или выбеге) регулируемой величины в зону (из зоны) нечувствительности Лу = у2 - уь которая также является фиксированной. Выходным сигналом U] пороговых устройств 2 является один из сигналов позиций UH, иср или U„. Элемент сравнения 1 совместно с пороговыми устройствами 2 образуют трехпошционный регулятор 3 с фиксированными позициями нижней, средней, верхней и зоной нечувствительности Ду, на выходе которого при достижении сигналом регулируемой величины у сигналов задания зоны нечувствительности у( и уз появляются сигналы соответствующих позиций UH, Ucp или UB.
На положительный вход алгебраического сумматора 4 подается выходной сигнал Ui трехпозиционного регулятора 3, а на отрицательный -опорный сигнал, равный значению сигнала средней позиции Ucp трехпозиционного регулятора 3. Выходной сигнал Д алгебраического сумматора 4 равный нулю при U=Ucp или +AU] при II]Ч1В или U=UH подается одновременно на усилительное звено 5 с К 2 и ФЗП 6.
ФЗП как уже говорилось выше выбирается в зависимости от желаемого вида реализации адаптации средней позиции: дискретного или аналогового. Так при аналоговой реализации ФЗП в качестве него берется, например, интегрирующее звено с передаточной функций
W(p) = -, (3.1)
При позиционном выборе реализации адаптивной средней позиции на выходе ФЗП сигнал g2 изменяется скачком на какую-то величину Ag2, а при импульсном - скважность импульсов (при их заданном периоде) изменяется при выбеге за зону по ранее описанным алгоритмам.
Последовательно с ФЗП в случае его реализации в виде апериодического звена первого порядка включается звено памяти 7 запоминания сигнала ФЗП, имеющего место в моменты переключения входного сигнала последнего от трехпозиционного регулятора 3 с сигнала крайней позиции на среднюю, т.е. в моменты появления сигнала Д=0. Такое звено памяти (П) удерживает значение сигнала ФЗП, соответствующего значению вновь сформированного сигнала адаптивной средней позиции, при вхождении регулируемой величины у в зону нечувствительности Ду и переключения регулятора 3 на среднюю позицию. При реализации ФЗП в виде интегрирующего звена необходимость в звене памяти 7 отпадает, так как при переключении регулятора 3 на среднюю позицию сигнал Д=0 и сигнал в соответствии с (3.2) перестает изменяться, т.е. запоминается. То же происходит и при дискретном изменении сигнала в ФЗП, так как такое запоминание происходит путем конструктивного выполнения ФЗП.
Сигналы после усилительного звена 5 - gi и после ФЗП 6 и звена памяти 7 - g2 суммируются на сумматоре 8 и подаются на элемент насыщения 9, который конструктивно может быть выполнен в виде двух последовательно соединенных ограничителей сигналов, один из которых настроен на ограничение сигнала по минимуму, а другой — по максимуму, причем значения этих ограничений соответствуют значениям AUi. Сигнал на выходе элемента насыщения 9 в точности соответствует сигналам крайних позиций регулятора 3 относительно сигнала его средней позиции Ucp при нахождении регулируемой величины у вне его зоны нечувствительности Лу и сигналу адаптивной средней позиции, обеспечиваемой ФЗП, при нахождении регулируемой величины в зоне регулятора 3. При этом никаких контактных устройств подключения ФЗП схема не содержит.
Определение информации о температуре в точке датчика, вышедшего из строя
Естественно, что для определения К+1 неизвестных коэффициентов уравнения (43) необходимо составить не менее К+1 уравнений невязки для получения этих коэффициентов по МНК. Для этого необходимо, чтобы в работе оставалось не менее m К+1 датчиков. Так, если в уравнениях (4.4) и (4.6) К(і)=5, то в семизонном экструдере, в каждой зоне которого установлен датчик, должно выйти из строя одновременно не более одного датчика. Если же известны уравнения типа связей между коэффициентами уравнений, например, в уравнении (4,5) из уравнения требуемого температурного
1)3 профиля может быть известно, что 02+04=1, то число вышедших из строя одновременно датчиков, может достигать двух. Предпосылкой работоспособности методики является то, что значения температуры, работающих датчиков, будут находиться вблизи значений температуры требуемого температурного профиля в этой же точке в силу работы АСР температуры зоны (в пределах точности работы АСР), т.е. Последнее гарантирует получение и расчетного значения температуры для датчика, вышедшего из строя, также вблизи значения температуры требуемого профиля в точке, вышедшего из строя датчика, т.е. О? w G. Дополнительная проверка работоспособности методики может быть проведена по двум постоянным значениям температур: I) значению температуры в", запомненного в момент выхода из строя соответствующего датчика;
2) значению температуры 9: в точке, вышедшего из строя датчика, для требуемого температурного профиля. Значение температуры 9Н и расчетное, для вышедшего из строя датчика, 9Р должны находиться в пределах точности работы АСР температуры зоны по отношению к температуре 9 , т.е. ej-e;
Наконец, в силу того, что значение 9? все время определяется по значениям фактической температуры 9 работающих датчиков, точность ее определения будет ближе к фактической с увеличением временного интервала от момента сбоя датчика в этой j-й точке, чем 9. , что и определяет целесообразность применения предлагаемой методики в сравнении со способом сохранения информации в точке], т.е. запоминания 9j .
Предлагаемая методика была доложена на конференции ММТТ-15 [66] с приведением конкретных примеров расчетов.
1. Задаемся величиной Д, например, Д=0,02, что соответствует отклонению расчетного профиля от требуемого не более чем на 2 % по модулю.
2. Выбираем число п датчиков, например, из соображения п = г/2 ± 0,5 (для г - нечетного) и п = г/2 ± 1 (для г - четного) и места h их расстановки, например, через зону по ее середине. Отметим, что выбор п и h во многом зависит от вида требуемого температурного профиля и интуиции постановщика задачи.
З.Тем или иным способом, например, используя МНК или метод параболической интерполяции Лагранжа, находим уравнение расчетного температурного профиля, считая, что расчетные значения температуры выбранных датчиков соответствуют значениям на требуемом профиле, а вид расчетного уравнения соответствует виду уравнения требуемого температурного профиля, но меньшего порядка, т.е. с m п.
1. Находим разницу АЭ()и определяем выполнение ограничения \&B(l)\fQ () Д. Если условие выполняется, считаем, что задача решена,
если нет, то меняем n, h, Д и повторяем решение, т.е. находим решение путем ряда итерационных процедур.
Предложенное в п.п. 3, 4 решение не является строгим и не обеспечивает выполнения критерия (4.9а), но удобно с практической (инженерной) точки зрения. Для строгого решения, зная уравнение требуемого профиля и вид уравнения расчетного профиля, необходимо записать интеграл (4.9а) и найти его решение МНЬС, т.е. найти значения коэффициентов уравнения расчетного профиля, обеспечивающих (4.9а).
Решение задачи далее используется для целей управления, т.е. для обеспечения требуемого температурного профиля, как это делалось в задаче раздела 4.1, т.е. путем определения недостающей для управления информации в точках отсутствия датчиков расчетным путем.
Решение частной задачи № 2.
Рассмотрим решение второй частной задачи, когда S l, но m const.
При инженерном подходе к решению задачи можно решать задачу отдельно для каждого требуемого профиля, но, естественно, с соблюдением числа п и мест установок h для всех профилей. Число итерационных процедур при таком подходе может возрасти как минимум в S раз.
При решении в общем виде необходимо записать интеграл для каждого из профилей и их сумму по (4.9) и найти решение МНК, т.е, найти значения коэффициентов уравнения расчетного профиля, обеспечивающих как минимум сумм интегралов, так и выполнения ограничения по Д, т.е. выполнения условия (4.8).
Решение задачи для общего случая
Подходы к решению задачи для общего случая могут быть такими же как и для частной задачи № 2. При инженерном подходе в силу m const число итерационных процедур также может возрасти и во многом будет определяться интуицией решателя задачи.
В целом решение задачи данного раздела позволяет минимизировать число датчиков на этапе конструирования экструдера и использовать возможности современной вычислительной техники для получения информации о температурном поле в недостающих точках (см. раздел 4.1) для целей управления по поддержанию требуемого температурного профиля.
