Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ особенностей управляющих функций АСУТП средствами ПТК сетевой организации. Постановка задачи исследования 13
1.1. Характеристика технической структуры современных АСУТП 13
1.2. Анализ параметров ПТК в составе АСУТП 17
1.3. Анализ особенностей реализации функции автоматического регулирования в составе полномасштабных АСУТП 26
1.4. Постановка задачи исследования 29
1.5. Выводы 32
2. Разработка методики исследования частотных характеристик контроллеров в составе ПТК АСУТП 33
2.1. Классификация факторов, влияющих на работу АСР в составе контроллеров ПТК 33
2.2. Методика исследования управляющих каналов ПТК 38
2.3. Функциональная и программно-техническая структура экспериментального стенда 53
2.4. Выводы 56
3. Исследование влияния системных факторов на преобразование входного сигнала в контроллере 57
3.1. Исследование влияния системных факторов на ограничение величины квантования сигнала по времени 57
3.2. Исследование влияния системных факторов на величину квантования сигнала по уровню 60
3.3. Исследование влияния величины квантования сигнала по времени на запаздывание в канале регулирования 64
3.4. Выводы 72
4. Исследование особенностей функционирования регулирующих алгоритмов 73
4.1. Предварительные замечания 73
4.2. Исследование и анализ ПИ-преобразования в алгоритме РАН 75
4.3. Исследование и анализ ПД - преобразования в алгоритме РИМ 80
4.4. Исследование и анализ ШИМ - преобразования в ЦИП 87
4.5. Выводы 92
5 . Рекомендации по проектированию и настройке автоматических систем регулирования на базе ПТК сетевой организации 93
5.1. Методика выбора физического диапазона датчика 93
5.2. Методика выбора времени цикла контроллера 98
5.3. К расчету систем управления с микропроцессорными контроллерами РемиконтР-210 99
5.4. Рекомендации по разработке алгоритмов канала регулирования 112
5.5. Рекомендации по проектированию и вводу в действие АСР 115
5.6. Выводы 118
Заключение 119
Библиографический список 124
Приложение 1. Технические структуры АСУТП на базе ПТК сетевой организации 133
- Анализ параметров ПТК в составе АСУТП
- Методика исследования управляющих каналов ПТК
- Исследование влияния величины квантования сигнала по времени на запаздывание в канале регулирования
- Исследование и анализ ПД - преобразования в алгоритме РИМ
Введение к работе
В настоящее время большинство электростанций страны стоят перед проблемой модернизации физически и морально устаревших систем контроля и управления (СКУ). Модернизация СКУ нацелена, как правило, на создание новых АСУТП, которые должны обеспечить непрерывный контроль и эффективное управление технологическим оборудованием.
Специфика современных АСУТП главным образом связана с тем, что они являются распределенными системами и их основными системообразующими компонентами являются программно-технические комплексы (ПТК) сетевой организации [3, 4, 10, 36]. В связи со сложностью и многокомпонентностью программно-технической структуры АСУТП существует проблема эффективности реализации функции автоматического регулирования в составе всей системы. Задача автоматического регулирования является одной из многих функций, выполняемых ПТК, и должна рассматриваться в определенной взаимосвязи с ними. Кроме этого, имеется ряд дополнительных параметров и факторов, связанных с сетевой архитектурой ПТК и влияющих на динамические свойства (частотные характеристики) алгоритмов регулирования в контроллерах ПТК.
Исследованиям динамических характеристик средств автоматического регулирования, первичных и измерительных систем всегда уделялось особое внимание. Начиная с 60-х годов этой проблемой занимались ведущие отраслевые НИИ и организации.
Исследования динамических характеристик первичных и измерительных систем, приведенные в работах ученых МЭИ (В.П. Преображенского, Г.П. Иванова, Н.П. Бувина и др.) [62, 14, 37, 63], были направлены на повышение качества и надежности измерений технологических параметров.
Исследования аналоговых регуляторов (РПИ, РП-2, РУ4-26, БРМ-11 и др.), выполненные в работах: ЦНИИКА (Е.П. Стефани, Ш.Е. Штейнберга, Л.О. Хвиле-
вицкого, М.А. Ястребенецкого и др.); ВТИ (Н.И. Давыдова, В.Д. Миронова и др.); МЭИ (В.Я. Ротача, Г.Б. Беляева, В.Ф. Кузищина и др.) показали, что в действительности закон функционирования реального аналогового регулятора может сильно отличаться от заданного и неучет этих различий приводил к резкому ухудшению качества регулирования [9, 62, 105]. Это привело к появлению термина -область нормальной работы (ОНР) [105] регулятора, представляющей собой пространство амплитуд и частот входного сигнала, а также параметров настройки регулятора, в которой амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики реального регулятора отличаются от соответствующих характеристик идеального регулятора не более, чем на некоторые заранее установленные значения. Для широкого перечня аналоговых регуляторов того времени были определены их реальные динамические свойства, уточнены линейные динамические модели и области нормальной работы, что позволило в то время выполнить большой объем работ по вводу систем автоматизации нового энергетического оборудования.
Переход к цифровым средствам регулирования еще острее обозначил указанную проблему. Известно, что механический перенос свойств непрерывных систем на дискретные возможен далеко не всегда [59]. При переходе от аналоговых регуляторов к цифровым необходимо, чтобы цифровая система обладала теми же свойствами, что и непрерывный аналог. Анализ методов численных реализаций цифровых (импульсных) систем регулирования показал, что применимость того или иного метода может зависеть от множества факторов (характера задачи управления, динамики объекта, возможности реализации и др.). Поэтому численный алгоритм, заложенный в цифровой регулятор, реализует передаточную функцию непрерывного закона регулирования приближенно [42, 50, 59, 71, 100,103].
В современных программно-технических комплексах ключевую роль в реализации управляющих функций, как правило, играет фирменное алгоритмическое обеспечение контроллеров, которое состоит из фиксированного набора типовых программных блоков (типовых алгоритмов), выполняющих преобразование сигналов в цифровой форме [2]. При этом применение, для реализации цифровой системы регулирования, тех или иных аппаратных средств оказывает влияние на функционирование алгоритмов и контура автоматического регулирования в целом [15,32,51,70].
Опыт применения первых микропроцессорных контроллеров для построения систем автоматического регулирования показал, что при их использовании в сложных многоканальных системах часто нарушается заданный режим управле-
ния [34, 88]. Исследования алгоритмов функционирования первых отечественных автономных микропроцессорных контроллеров (серии Ремиконт Р-100), выполненные в ИГЭУ (Ю.С. Тверской, A.M. Демин), выявили что квантование сигналов как по времени, так и по уровню существенным образом влияют на способность программного обеспечения (ПО) контроллеров выполнять заданные функции. Исследования показали, что декларируемые "виртуально-непрерывные" законы преобразования сигналов адекватно выполняются при определенных ограничениях на выявленные факторы [84, 88].
Техническая структура современных АСУТП на базе ПТК является сложной, многокомпонентной и многосвязной и задача автоматического регулирования является одной из многих функций выполняемых программно-техническими комплексами и должна рассматриваться в определенной взаимосвязи с ними [24, 53, 76]. Например, взаимовлияние программных алгоритмов может привести к чрезвычайно высокой трудоемкости технологической наладки системы управления. Модификация алгоритмической схемы в отдельном канале регулирования может изменить время выполнения программы, что повлияет на динамические характеристики каналов регулирования в контроллере [87, 76, 11].
Однако фирмы производители ПТК как правило не приводят данные об особенностях реализации и функционирования алгоритмов (в частности, алгоритмов регулирования) в составе всей системы.
Важно, чтобы алгоритмическая база ПТК была максимально приближена к идеальным (теоретическим) алгоритмам, от этого во многом зависит качество управления [34, 73, 75, 88]. Таким образом, для правильного выбора и эффективного использования средств автоматического регулирования, необходимо знать не только ее технические параметры, принципы действия, но и учитывать реальные динамические характеристики управляющих каналов. Поэтому исследование динамических характеристик каналов управления и разработка рекомендаций по проектированию и вводу в действие автоматических систем регулирования в составе АСУТП на базе ПТК представляет актуальную научно-техническую задачу.
Целью настоящей работы является исследование характеристик и совершенствование настройки каналов регулирования, реализуемых контроллерами в составе программно-технических комплексов автоматизированных систем управления.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующее:
выполнить анализ систем управления, реализуемых средствами контроллеров ПТК, с целью выделения параметров и систематизации факторов, влияющих на динамические характеристики каналов регулирования;
разработать методику исследования динамических характеристик управляющих каналов ПТК и создать экспериментальную установку, позволяющую проводить как исследование особенностей ПТК, так и максимально приближенные к эксплуатационным режимам испытания автоматических систем регулирования;
выполнить исследование динамических характеристик каналов регулирования на основе ПИ-закона аналогового и ПД-закона импульсного регулирования и определить границы областей нормальной работы типовых регуляторов;
разработать рекомендации по проектированию и наладке АСР в составе АСУТП на базе ПТК иерархической сетевой структуры.
Для решения поставленных задач в первой главе проведен анализ особенностей построения АСУТП на базе современных ПТК, показаны особенности функционирования контуров регулирования, выделены параметры, влияющие на работу алгоритмов, реализуемых контроллерами.
Во второй главе систематизированы и классифицированы факторы в соответствии с иерархической структурой АСУТП и их влиянием на работу алгоритмов в контроллере, приведен анализ существующих методов исследования частотных характеристик аналогово-цифровых систем, разработана методика исследования управляющих каналов контроллеров.
Анализ особенностей АСУТП на базе современных ПТК сетевой организации позволил выделить факторы системы автоматического регулирования в составе полномасштабной АСУТП и конкретизировать методику исследования под современный ПТК.
В третьей главе приводится анализ результатов исследования влияния системных факторов на преобразование входного сигнала в контроллерах "Реми-конт". Экспериментальные исследования выполнены на разработанной экспериментальной установке. Выполнены исследования по определению влияния системных факторов на факторы контроллера, системных факторов на величину квантования по времени и влияния квантования сигнала по времени и последовательность соединения алгоритмов на запаздывание в канале регулирования.
В четвертой главе приводится анализ особенностей физической реализации ПИ и ПД преобразования в регулирующих алгоритмах контроллеров "Реми-конт". Проведено исследование динамических алгоритмов аналогового (РАН) и импульсного (РИМ с ШИМ-преобразованием) регулирования. На основе методики определения частотных характеристик получены зависимости точности выполнения "виртуально-непрерывных" законов преобразования в области параметров настройки алгоритмов.
В пятой главе приведены рекомендации по проектированию, наладке и эксплуатации ПТК сетевой организации. Получены аналитические выражения для оценки применимости контроллеров Ремиконт Р-210 для автоматического регулирования при ограничении на величину времени цикла контроллера. Получены аналитические выражения по расчету величины запаздывания в канале регулирования, времени полного хода ИМ для выбора его типа. Усовершенствована методика проектирования АСУТП на базе ПТК сетевой организации с учетом результатов, полученных при анализе автоматических систем регулирования и управляющих каналов контроллеров.
Основные научные результаты и их новизна.
Определены и систематизированы новые факторы АСУТП на базе ПТК иерархической сетевой структуры, влияющие на динамические характеристики каналов регулирования цифрового контроллера.
Впервые получены экспериментальные частотные характеристики каналов аналогового и импульсного регулирования контроллера и определены ограничения на области нормальной работы алгоритмов по выявленным факторам.
Усовершенствован канал импульсного регулирования с алгоритмом широт-но-импульсной модуляции (ШИМ) и исполнительным механизмом постоянной скорости, отличающийся тем, что минимальное время импульса алгоритма ШИМ связано со скоростью изменения сигнала ошибки регулирования.
Получены зависимости определения области нормальной работы каналов регулирования контроллеров ПТК при ограничениях на величину запаздывания в канале регулирования, физического диапазона датчиков, времени полного хода ИМ и минимальную длительности импульса ШИМ.
Практическая ценность работы.
Разработаны рекомендации по настройке АСР, реализуемых контроллерами в составе АСУТП, позволяющие на этапах проектирования, наладки и эксплуатации современных ПТК учесть выявленные ограничения и обеспечить требуемое качество автоматического регулирования.
Разработана схема импульсного регулирования с алгоритмом ШИМ, которая, при сохранении статической и динамической точности переходного процесса, позволяет уменьшить в 1.5-2 раза по сравнению со стандартным каналом импульсного регулирования количество включений ИМ.
Разработаны программные средства, которые могут применяться для исследования частотных характеристик каналов регулирования современных программно-технических комплексов.
Разработан экспериментальный стенд (полигон), позволяющий осуществлять как исследование управляющих каналов контроллеров ПТК в составе АСУТП, так и испытание автоматических систем регулирования. Полигон используется в учебно-научном процессе кафедры систем управления ИГЭУ в качестве многоцелевого тренажерного комплекса.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях "Идентификация систем и задачи управления (SICPRO-2005)" (г.Москва, 2005г.), "Теория и практика построения и функционирования АСУТП (CONTROL-2003)" (г.Москва, 2003г.), "Управление и информационные технологии (УИТ-2003)" (г. Санкт-Петербург, 2003) "Повышение качества регулирования частоты в ЕЭС" (г.Москва, 2002г.), "Всероссийский форум "Образовательная среда-2003" (г.Москва, 2003г.), "Энергосбережение на предприятиях металлургической и горной промышленности (новые решения)" (г.Санкт-Петербург, 2003г.), "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г.Москва, 2005г.), "Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров" (г. Пенза, 2001г.), "Состояние и перспективы развития электротехнологии" IX, X, XI Бенардосовские чтения (г.Иваново, 1999, 2001, 2003г.г.), VII Международной научно-технической конференции "Информационная среда ВУЗа" (г.Иваново, 2000г.), "Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования" (г.Иваново, 2002г.), "Планирование, организация и контроль самостоятельной работы студентов" (г. Иваново, 2003г.).
Работы выполнены по плану НИР ИГЭУ и при поддержке грантов Министерства образования Российской Федерации: договор №2.1.1.(15.8).041.133 [2/2001 53] по теме "Учебная лаборатория "Системы автоматического управления технологическими объектами" [98]; грант ТОО-1.2-3174 по теме "Создание комплекса имитационных макромоделей пылесистем по схеме прямого вдувания котлов ТЭС для решения задач управления и диагностирования"[79].
Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 научные работы, в том числе 5 статей в центральных журналах, 15 статей в тематических сборниках и 3 отчета о НИР.
Работа выполнена на кафедре систем управления Ивановского государственного энергетического университета им. В.И. Ленина. Автор выражает благодарность коллективу кафедры систем управления за оказанное ими содействие и помощь при выполнении данной работы.
Автор также выражает глубокую признательность сотрудникам НЦРВ ГНЦ "НИИтеплоприбор" и ОАО "НПК "ЭЛАРА" за постоянную помощь и поддержку в развертывании стенда ПТК "Квинт" в Ивановском государственном энергетическом университете.
Анализ параметров ПТК в составе АСУТП
В общем случае, микропроцессорные контроллеры включают в себя базовый и пректно-компонуемый комплекты модулей. В базовый комплект входят следующие функциональные модули: центрального процессора, оперативной и энергонезависимой памяти, информационного обмена по сети. В проектно-компонуемый комплект входят интеллектуальные (со встроенным процессором) модули УСО, обеспечивающие преобразование аналоговой и дискретной информации в цифровую форму. В технической структуре контроллерного модуля четко просматриваются две тенденции в построении - наличие или отсутствие центрального процессора в контроллере [43, 47]. В основном структура контроллера ПТК характеризуется большим разнообразием типов модулей УСО. Однако ряд ПТК имеют небольшое количество типов модулей УСО, что в некоторой степени облегчает процесс проектирования и эксплуатации системы. Кроме того, это приводит к исключению кроссовых панелей, так как больше не требуется сортировка или кроссировка в соответствии с типом датчика. Контроллеры позволяют подключать датчики и исполнительные устройства со следующими типами сигналов: аналоговые сигналы: - нормированные 0-5мА, 0-20мА, 4-20мА, 0-1ОВ; - термоэлектрических преобразователей типа ТХА, ТХК, ТПП; - термометры сопротивления (3-х проводная схема); - термометры сопротивления (4-х проводная схема); дискретные сигналы: = 24 В; = 48 В; - 220 В;= 220 В. Повышение надежности контроллеров осуществляется путем их резерви рования и самодиагностики узлов. В основном, во всех ПТК предусмотрена воз можность дублирования контроллеров, модулей процессоров, УСО и плат сетево го обмена. В некоторых ПТК при реализации наиболее ответственных задач АСУТП (функция технологических защит и др.) предусмотрено троирование как отдельных модулей контроллеров, так и самих контроллеров. Контроллер является микропроцессорным вычислительным узлом, в котором функционирует фирменное и прикладное ПО. ПО функционирует в режиме "реального времени". Как правило, используется обработка ПО (алгоритмов) с установленным временем обработки (временем цикла), которое должно быть мало по отношению к времени протекания переходных процессов в объекте. В связи с этим, важным параметром микропроцессорного контроллера является его производительность, которая зависит как от центрального процессора (тип процессора, вычислительная мощность), так и от технической структуры контроллера (используемая шина данных, наличие интеллектуальных модулей УСО и др.), программного обеспечения функционирующего в контроллере (операционная система, драйверы, фирменное ПО, прикладное ПО и др.).
Одним из важных параметров, который влияет на точность вычислений, является разрядность данных. Разрядность данных зависит от разрядности модуля аналого-цифрового преобразования (для аналоговых сигналов от датчиков) и от разрядности обработки данных в алгоритмах контроллера. Таким образом, для решения задач АСУТП можно выделить следующие параметры контроллеров: быстродействие контроллера и разрядность обработки данных в алгоритмах контроллера (наиболее полно характеризуют минимально возможные циклы обработки информации); разрядность аналого-цифрового преобразования сигналов в модулях УСО. Особенности рабочих станций оперативного уровня и их основные параметры Во всех ПТК выделяют следующие типы рабочих станций АСУТП (в некоторых системах номенклатура станций шире): - операторские станции, предназначенные для представления информации о ходе технологического процесса и ручного (дистанционного) управления; - событийные станции (станция), предназначенные для представления, анализа и документирования информации о штатных и нештатных событиях; - архивные станции (станция), предназначенные для долговременного хранения информации; - вычислительные станции, предназначенные для выполнения различных расчетов (ТЭП, расчет настроек автоматических регуляторов и др.); - инженерные станции (станция), предназначенные для загрузки технологических программ в контроллеры, настройки, отладки, а также тестирования компонентов ПТК; - станция единого времени, выполняющая синхронизацию времени в системе.
Одной из тенденций в развитии ПТК является отказ от использования фирмами-производителями ПТК видеотерминалов собственного производства. Все фирмы используют на верхнем уровне стандартные графические рабочие станции ведущих фирм мира, таких как DEC, Sun, Hewlett Packard. Это значительно снижает стоимость этой части системы, позволяет использовать стандартное программное обеспечение этих фирм (ОС, графические редакторы, базы данных и др.). Кроме того, значительно упрощается процесс модернизации системы в будущем. Все ПТК имеют возможность подключения экранов коллективного пользования.
Большое количество станций различного функционального назначения позволяет реализовывать широкий спектр информационно-вычислительных функций в составе АСУТП: оперативный контроль оборудования, расчет ТЭП, регистрация событий и др. Однако при работе оперативные станции запрашивают информацию у микропроцессорных контроллеров уровня управления, тем самым, увеличивая вычислительную нагрузку на сети и сами контроллеры. Запрос информации, как правило, выполняется каждой станцией с заданным периодом. Таким образом, для решения задач АСУТП существенными параметрами являются: особенности организации обмена информацией между рабочими станциями и контроллерами (является совокупным параметром, зависит также от программного обеспечения и организации информационной сети); общее количество оперативных рабочих станций; объем информации запрашиваемый рабочей станцией у контроллеров; период обновления информации (посылки запросов) рабочей станцией. Особенности сетевых средств и технической структуры АСУТП и их основные параметры Вычислительные сети является основой каждой из систем и в значительной степени определяет ее технический уровень. Сетевые средства включают в себя: кабель, как среду для передачи данных; коммутаторы и концентраторы; сетевые карты компьютеров и контроллеров; сетевые шлюзы. Скорость передачи данных является основным показателем пропускной способности сети, по которой осуществляется связь между уровнем управления и оперативным уровнем. Информационная связь между уровнями современных ПТК в основном построена с использованием сетей с пропускной способностью 100 Мбит/с, которые позволяет обновлять до нескольких тысяч параметров в оперативной базе данных ежесекундно.
Все сети современных ПТК могут быть дублированными. Все системы осуществляют контроль достоверности передаваемой информации. Наибольшую защищенность от физического повреждения сети имеет ПТК, у которого система сети может быть разделена на сегменты и повреждение одного сегмента не приводит к нарушению работы остальных сегментов шины. Во всех ПТК нарушения работы коммуникационных шин не приводят к выходу из строя автоматических функций нижнего уровня.
Сеть ПТК, как правило, строится на сетевом стандарте Ethernet, который обеспечивает недетерминированный доступ. Однако в некоторых ПТК применяется сеть FDDI (Fiber Distribute Data Interface). Сеть FDDI является полностью детерминированной, т.е. она гарантирует передачу данных в режиме реального времени, свободную от потерь, ошибок или задержек даже в аварийных режимах. В основном техническая структура АСУТП строится на базе двух сетей (рис. П1, П, системная и контроллерная сети) и, в редких случаях, одной сети (рис. П, системная сеть).
Методика исследования управляющих каналов ПТК
Методику исследования нагляднее рассмотреть на примере. В качестве примера взят программно-технический комплекс "Квинт" (ГНЦ НИИ Теплоприбор, г. Москва), удостоен Государственной премии Правительства Российской Федерации в 1998 г. Принятие ПТК "Квинт" в качестве базового (инструментального) средства для исследований представляется вполне обоснованным [64, 27, 28]. Последовательность шагов необходимых для выполнения методики исследования следующая [20, 5, 45]: 1. Планирование эксперимента. Планирование экспериментов для определения области существования "виртуально-непрерывных" законов преобразования сигналов. Определение ряда изменения локальных факторов и факторов контроллера. 1.1. Определяется перечень динамических алгоритмов, которые будут подвергаться анализу. В ПТК "Квинт" это алгоритмы: РАН - регулятор аналоговый, РИМ-регулятор импульсный. 1.2. Определение диапазона изменения локальных факторов. В алгоритме "Регулятор импульсный" (РИМ) это параметры Кп (коэффициент усиления регулятора), Тим (время интегрирования) и Тим (время полного хода ИМ). Каждый параметр настройки алгоритмов имеет декларируемые диапазоны и дискретность изменения: Кп в диапазоне 0.01 -f- 255,9921; Ти в диапазоне 0 -3276,7 с. При этом контрольные значения в диапазоне изменения параметров примем кратным ряду чисел 1; 2; 5. В соответствии с оценками динамических свойств объектов управления выбраны контрольные значения Кп = 0.01; 0.05; 0.1; 0.5; 1; 5; 10; временные параметры настройки Т= 1; 5; 10; 50; 100; 500; 3000 с. Время полного хода ИМ выбирается в соответствии с рядом типовых МЭО Тим= Юс; 25 с; 63 с. 1.3. Определение диапазона исследуемых частот. В соответствии с оценками динамических свойств объектов управления диапазон рабочих частот каналов регулирования лежит в пределах со 0.3 рад/с. Определение динамических свойств алгоритмов проводилось при частотах со=0.3; 0.15; 0.1; 0.05; 0.01; 0.005; 0.002 рад/с. 1.4. Определение диапазона изменения Тк.
Для известных динамических характеристик объекта необходимо произвести аналитический расчет минимального времени цикла контроллера, при котором достигается заданная точность регулирования. С учетом опыта практической реализации алгоритмов в ПТК "Квинт" время цикла контроллера принимается Тк=0.5 с; 1 с; 2 с. 2. Экспериментальное исследование. Предварительно, перед экспериментальными исследованиями по определению области существования алгоритмов, необходимо выявить зависимости по влиянию системных факторов на факторы контроллера и локальные факторы. Затем зависимости по влиянию факторов контроллера на локальные и только после этого непосредственно исследования динамических алгоритмов. 2.1. В ходе исследований влияния системных факторов на величину квантования по времени необходимо определить минимальное время цикла контроллера Тк в зависимости от разного количества (п=0, 50, 100, 150, 200) запрограммированных алгоритмов "Суммирование с масштабированием" (СУМ), "Фильтрация" (ФИЛ), "Формирователь аналоговый объектный" (ФАО), "Управление клапаном" (УКЛ), "Регулятор импульсный" (РИМ) без связи контроллера с рабочими станциями. Необходимо определить Тк при разном количестве (п=0, 50, 100, 150, 200) запрограммированных оперативных алгоритмов ФАО, УКЛ, РИМ и работе нескольких рабочих станций. 2.2. В ходе исследований влияния системных факторов на квантование по уровню необходимо определить минимальную амплитуду (минимальное количество уровней квантования) тестового сигнала при которой гарантируется заданная точность преобразования сигнала. 2.3. В ходе исследований необходимо определить зависимости квантования по времени и запаздывания в канале регулирования от количества ал-гоблоков в прямой и обратной последовательностях при разных значениях времени цикла контроллера. 2.4. В ходе исследований необходимо определить частотные характеристики и получить зависимость точности выполнения "виртуально-непрерывных" законов преобразования в области параметров настройки (для РИМ Кп, Ти, Тим) от влияния факторов контроллера Тк и оз. 3. Анализ экспериментального материала. 3.1. Построение зависимостей точности преобразования сигналов от отдельных факторов. Выделение критических областей функционирования алгоритмов. 3.2. Выявление минимального уровня квантования сигнала для заданной точности выполнения закона регулирования. 3.3. Выявление оптимального диапазона по установке времени цикла контроллера. 4. Рекомендации по проектированию систем автоматического регулирования. 4.1. Рекомендации по общесистемным решениям: определение максимально допустимого количества алгоблоков в контроллере при ограничении на Тк; определение необходимого диапазона датчика для канала регулирования при ограничении на точность регулирования. 4.2. Рекомендации по наладке АСР. Определение подстроечных коэффициентов для Кр и Ти. Определение и учет запаздывания в канале регулирования. 4.3. Рекомендации по проектированию и вводу АСР в действие.
Исследование влияния величины квантования сигнала по времени на запаздывание в канале регулирования
Квантование сигналов по времени является особенностью микропроцессорных средств управления. Для исследования влияния квантования сигналов на запаздывание в канале регулирования в контроллере организован "сквозной" канал без промежуточных функциональных преобразований посредством алгоритма MAC. Схема проведения эксперимента приведена на рис.3.3. Анализ полученных характеристик при различном времени цикла Тк обработки информации приведен на рис.3.4, 3.5, 3.7, 3.8.
Исследование квантования по времени контроллеров Ремиконт Р-210 (что подтверждает исследования Ремиконт Р-110 [88]) показало наличие внутренней и внешней образующих эллипсов в фигуре Лиссажу. Причем, амплитуды внутреннего и внешнего эллипсов равны (размер по вертикали), а фазовый сдвиг определяется величиной времени Тк цикла (сдвиг по горизонтали). При этом внутренние образующие всех характеристик соответствуют идеальному аналоговому масшта-батору где Тмин- минимальное время выполнения программы. При Тмин :Тк из рис.3.12 видно, что Тмин =0.5 Тк+0.2
Таким образом, такт квантования - сохранение значения выходного аналогового сигнала на выходе алгоритма в течении всего времени цикла - ведет к появлению в канале регулирования звена запаздывания, передаточная функция которого при наличии в канале одного алгоблока описывается формулой: WKP(p) = e-"p (3.8) Годографы КЧХ идеального звена запаздывания в зависимости от Тк пред-ставленны на рис.3.6. Анализ показывает, что в результате квантования сигналов по времени, при переходе в область высоких частот растет степень дискретности аналогового сигнала. Рис. 3.6. Расчетные и экспериментальные КЧХ звена запаздывания в зависимости от времени цикла контроллера Степень влияния дискретного характера обработки информации в зависимости от динамических свойств объекта представлена на рис. 3.4, 3.8. Квантование сигналов в явном виде проявляется при со 0.15 рад/с, что ограничивает использование контроллеров Ремиконт Р-210 даже при минимальном Тк для регулирования малоинерционных процессов в области высоких частот. При увеличении Тк до 2 с дискретность выходных сигналов увеличивается, и граница смещается в область низких частот со 0.1 рад/с (рис. 3.8). Неучёт данных факторов приведет к снижению точности и надежности микропроцессорных систем управления. Известно [88], что величина запаздывания, кроме времени Тк цикла, зависит от количества алгоблоков в канале регулирования и последовательности их соединения. При организации каналов управления, представляющих цепочку последовательно соединенных алгоблоков, величина запаздывания определяется порядком их соединения и режимом работы. При формировании канала регулирования в порядке возрастания номеров алгоблоков (прямая последовательность) обработка ведется в пределах одного цикла. Такое соединение не вызывает дополнительного запаздывания и определяется только заданием Тк. Однако при проектировании эту последовательность, как правило, соблюсти не удается, и наблюдается смешанное соединение алгоблоков. Это ведет к дополнительному запаздыванию то, так как при соединении алгоблоков в обратной последовательности имеет место переход из одного цикла расчета в другой.
Исследование последовательности соединения алгоблоков ставило целью количественную и качественную оценку влияния соединения алгоблоков в прямой и обратной последовательности: алгоритмы МАС в пяти алгоблоках соответственно 1.1-1.2-1.3-1.4-1.5 и Архивная станция Схемы каналов при исследовании влияния последовательности соединения алгоблоков Параметры входной синусоиды А=7.5 %, со=0.05; 0.1; 0.15; 0.3 рад/с, Тк=0.5, 2 с. Дополнительное преобразование в канале отсутствует. При соединении алгоблоков в порядке возрастания номеров характеристика (рис. 3.10, а) идентична автономному алгоблоку (рис.3.4) (3.8). Обратная последовательность ведет к увеличению запаздывания. Векторы экспериментальных КЧХ на рис. 3.10 совмещены с полученными аналитическими при различных Тк при прямой и обратной последовательности соединения алгоблоков. В результатах положений [88] о влиянии последовательности соединения алгоблоков на запаздывание в канале контроллеров "Ремиконт Р-100" впервые было показана зависимость в виде формулы: ТО=(1+КОБР)-ТКС, (3.9) где х0 - время запаздывания, Ковр-количество алгоблоков в канале преобразования сигнала управления, включенных в обратной последовательности. Однако, анализ результатов показывает отличие зависимости (3.9) при применении ее для контроллеров Ремиконт Р-210. Более точно (рис. 3.10, 3.11), при Тмин«Тк, величина дополнительного запаздывания отличается от (3.9) и определяется:
Исследование и анализ ПД - преобразования в алгоритме РИМ
Для исследования особенностей функционирования ядра импульсного регулирования была организована алгоритмическая схема, аналогичная представленной на рис. 4.3. Основное динамическое преобразование, выполняемое алгоритмом РИМ соответствует передаточной функции звена ПДД2
В целом, с учетом динамики исполнительного механизма постоянной скорости, алгоритм РИМ формирует закон регулирования, описываемый передаточной функцией идеального ПИД-регулятора. При этом ПИ-преобразование реализуется за счет ПД-составляющей алгоритма РИМ, состоящей из элементов П и Д (Кп 0; Ти О) при отсутствии Д2-составляющей (Тд=0).
При исследовании ПД-звена амплитуда тестовой синусоиды установлена постоянной Авх=Ю%. Характеристики получены для ряда частот со=0.3; 0.15; 0.1; 0.05; 0.01; 0.005; 0.002 рад/сек. Целью исследования являлось определение влияния на особенности функционирования ПД-звена его параметров настройки Кп, Ти, Тим и факторов контроллера - времени цикла контроллера Тк. При этом в ПД-преобразовании алгоритма РИМ было исключено влияние звена фильтрации, нелинейных звеньев ЗОН и ОГР.
Оценка влияния параметров настройки определены в диапазоне: коэффициент усиления Кп=0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1,5, 10; время интегрирования Ти= 1; 5; 10; 50; 100; 500; 3000 с; время цикла Тк=0.5, 1,2 с; полное время хода исполнительного механизма Тим=25 с. Оценку по влиянию коэффициента усиления ПД-звена на ошибку по амплитуде целесообразно проводить для общего коэффициента усиления Кп =Кп Тим/Ти.
В связи с наличием Д-звена в алгоритме РИМ в выходных экспериментальных синусоидах явно выражено наличие высокочастотных помех (рис. 4.7). Величина амплитуды помехи в выходном сигнале тем выше, чем больше параметр настройки времени интегрирования в алгоритме отображена зависимость средне-квадратичного отклонения (СКО) экспериментальных данных по амплитуде аА от величины общего коэффициента пропорциональности регулятора Кп [48, 62]. Из рисунка видно, что в области малых Кп 0.2 средняя (аппроксимированная) величина СКО резко возрастает. При этом увеличение величины СКО наблюдается при уменьшении времени Тк цикла контроллера. Таким образом, анализ характеристик и использование алгоритма РИМ целесообразно проводить в области Кп 0.2 при Тк=0.5 с и Кп 0.1 при Тк 0.5 с. Анализ экспериментальных данных при Кп 0.2 и Тк=0.5 с (Кп 0.1 и Тк 0.5 с) показывает величину отклонения амплитуды годографа экспериментальных данных Сравнение экспериментальных КЧХ звена ПД-преобразования алгоритма РИМ в зависимости от коэффициента пропорциональности Годографы расчетно-аналитических и экспериментальных КЧХ в абсолютном и относительном виде для Ти=25, 50 с представлены на рис.4.9 и иллюстрируют степень возрастания ошибки по амплитуде в области малых Кп. На характеристиках, полученных в относительном виде (рис. 4.9, 4.10), наблюдается ошибка вычислений 6А при малых Кп, которая при Кп=0.01 составляет по амплитуде выходного сигнала около 20%. При Кп=0.05 ошибка по амплитуде выходного сигнала около 5%.
Анализ полученного результата позволяет рекомендовать для применения в системах управления область настроек общего коэффициента пропорциональности алгоритма РИМ Кп . Зависимость ошибки преобразования сигнала по амплитуде в алгоритме РИМ от времени цикла контроллера при Кп=0.5, Ти=10; 25; 50 с Оценка влияния времени цикла Тк=0.5-ь2 с приведена для параметров настройки ПД-звена Кп=0.5; Ти=10; 25; 50 с и Кп=0.05; Ти=10 с на границе установленной выше допустимой точности настроек Кп (рис.4.11). Анализ приведенных характеристик показывает увеличение ошибки по амплитуде преобразования сигнала с увеличением частоты (со 0.05 рад/с). При Кп=0.5; Ти=10 с; со=0.1 рад/с наблюдается увеличение ошибки по амплитуде: AAi =5Ai - SAo.5 1-5%; ААг =8Аг- 5Ао.5« 4%, где 5Ао.5, 5Ai, 8А2-величина ошибок по амплитуде при Тк=0.5, 1,2 с соответственно. При Кп=0.5; Ти=50 с; ю=0.1 рад/с ошибки по амплитуде составляют: AAi =8Ai - 8Ао.5 0.1%; ДАг =8Аг- 8А0.5=1%. Приведенные данные и графики на рис. 4.11. показывают уменьшение влияния времени цикла Т« на ошибку по амплитуде при параметрах настройки алгоритма РИМ Ти 25 с. Таким образом, анализ полученного результата позволяет рекомендовать для применения в системах управления область настроек времени интегрирования в диапазоне Ти 25 с только при Тк 1 с. Оценка влияния частоты на ошибку преобразования сигнала в алгоритме РИМ также приведена для параметров настройки ПД-звена Кп=0.5; Ти=10; 25; 50 с и Кп=0.1; Ти=Ю с на границе установленной выше допустимой точности настроек Кп (рис. 4.11). Анализ характеристик показывает увеличение ошибки по амплитуде при увеличении частоты тестового сигнала и уменьшении параметра настройки времени интегрирования. При Кп=0.5; Ти=Ю с; со=0.1 рад/с ошибка по амплитуде составляет 6А0.5 0.5%; при Кп=0.5; Ти=Ю с; со=0.3 рад/с ошибка составляет 6Ai «2%. При Кп=0.5; Ти=Ю с; со=0.3 рад/с ошибка по амплитуде составляет 6А0.5«2%; при Кп=0.5; Ти=50 с; со=0.3 рад/с ошибка составляет 5Ао.5 0.5%. Данная зависимость наиболее сильно проявляется на частотах со 0.05 рад/с при параметрах настройки времени интегрирования Ти 25 с.
