Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ систем регулирования на лабораторной установке института нефти в Багдаде 8
1.1. Функциональная схема автоматизации основных технологических параметров 8
1.2. Задача выбора закона- регулирования 13
1.3. Определение параметров объекта по переходным характеристикам 18
1.3.1. Объект управления с самовыравниванием 19
1.3.2. Объект управления без самовыравнивания 22
2. Сравнительный анализ методов расчёта параметров настройки регуляторов для систем автоматического регулирования 24
2.1. Настройка регулятора на основе метода Циглера-Никольса 27
2.2. Настройка регулятора на основе метода Кохен-Куна 29
2.3. Настройка регулятора на основе метода Чиена-Хронеса-Ресвика. 31
2.4. Настройка регулятора на основе метода Такахаши 33
2.5. Автоматически настраивающиеся регуляторы 36
3. Регулятор с автонастройкой 41
3.1. Стадии автонастройки 41
3.1.1. Первая стадия автонастройки 43
3.1.2. Вторая стадия автонастройки 46
3.1.3. Третья стадия автонастройки 49
3.2. Программный модуль, реализующий регулятор с автонастройкой. 58
3.2.1. Назначение программного модуля 58
3.2.2. Описание программного модуля 58
4. Исследование типовых систем автоматического регулирования лабораторной установки 70
4.1. Математическое моделирование основных процессов лабораторной установки 70
4.1.1. Упрощенная функциональная схема автоматизации лабораторной установки 70
4.1.2. Построение модели лабораторной установки по расходу воды... 72
4.1.3. Построение модели лабораторной установки по температуре... 78
4.1.4. Построение модели лабораторной установки по уровню 81
4.1.5. Построение модели лабораторной установки по давлению 86
4.2. Исследование работы алгоритма автоматической настройки регулятора на основе разработанных математических моделей 92
4.2.1. Исследование системы регулирования расхода 92
4.2.2. Исследование системы регулирования температуры 94
4.2.3 Исследование системы регулирования уровня 96
4.2.4 Исследование системы регулирования давления 98
4.3. Метод адаптации параметров настройки регулятора 100
Заключение 112
Список литературы 113
- Функциональная схема автоматизации основных технологических параметров
- Настройка регулятора на основе метода Циглера-Никольса
- Стадии автонастройки
- Математическое моделирование основных процессов лабораторной установки
Введение к работе
Современная теория автоматического регулирования является основной частью теории управления. Система автоматического регулирования состоит из регулируемого объекта и элементов управления, которые воздействуют на объект при изменении одной или нескольких регулируемых переменных. Под влиянием входных сигналов (управления или возмущения), изменяются регулируемые переменные. При построении систем автоматического управления одной из актуальных проблем является задача расчёта параметров настройки регуляторов.
Цель же регулирования заключается в формировании таких законов, при которых выходные регулируемые переменные мало отличались бы от требуемых значений. Методы расчета систем регулирования были известны давно, но практически не использовались на действующих технологических установких.
Решение данной задачи во многих случаях осложняется наличием случайных возмущений (помех). При этом необходимо выбирать такой закон регулирования, при котором сигналы управления проходили бы через систему с малыми искажениями, а сигналы шума практически не пропускались. Ситуация начала менятся с появлением микропроцессорных систем управления, чьи возможности позволяют поновому подойти к решению задачи расчёта параметров настройки регуляторов.
Теория автоматического регулирования прошла значительный путь своего развития. На начальном этапе были созданы методы анализа устойчивости, качества и точности регулирования непрерывных линейных систем. Затем получили развитие методы анализа дискретных и дискретно-непрерывных систем. В результате широкого внедрения современных систем управления на базе промышленных контроллеров на технологических установках её технический персонал стал более доверчиво относится к специалистам по автоматизации.
Можно отметить, что способы расчета непрерывных систем базируются на частотных методах, а расчета дискретных и дискретно-непрерывных — на методах z-преобразования.
В настоящее время развиваются методы анализа нелинейных систем автоматического регулирования. Появилась возможность проведения экспериментов и проверки известных алгоритмов идентификации динамических свойств объектов управления.
Вычислительные возможности технических средств современных систем управления позволяют включать в их программные обеспечения достаточно сложные алгоритмы расчетов.
Появились работы , разрабатывающие новые комплексные алгоритмы расчёта параметров настройки регуляторов, включающие эксперименты на объекте и моделирование переходных процессов на ЭВМ.
Нарушение принципа суперпозиции в нелинейных системах, наличие целого ряда чередующихся (в зависимости от воздействия) режимов устойчивого, неустойчивого движений и автоколебаний затрудняют их анализ. Как теория автоматического регулирования, так и теория управления входят в науку под общим названием «техническая кибернетика», которая в настоящее время получила значительное развитие. Техническая кибернетика изучает общие закономерности сложных динамических систем управления технологическими и производственными процессами. Техническая кибернетика, автоматическое управление и автоматическое регулирование развиваются по двум основным направлениям: первое связано с постоянным прогрессом и совершенствованием конструкции элементов и технологии их изготовления; второе — с наиболее рациональным использованием этих элементов или их групп, что составляет задачу проектирования систем.
Проектирование систем автоматического регулирования можно вести двумя путями: методом анализа, когда при заранее выбранной структуре системы (расчетным путем или моделированием) определяют ее параметры; методом синтеза, когда по требованиям к системе выбирают наилучшую ее структуру и параметры.
Формирование систем автоматического регулирования, как правило, выполняют на основе аналитических методов анализа или синтеза. На этом этапе проектирования систем регулирования на основе принятых допущений составляют математическую модель системы и выбирают её предварительную структуру. В зависимости от типа модели (линейная или нелинейная) выбирают метод расчета для определения параметров, обеспечивающих заданные показатели устойчивости, точности и качества. После этого уточняют математическую модель и с использованием средств математического моделирования исследуют динамические процессы в системе. При действии различных входных сигналов снимают частотные характеристики и сравнивают с расчетными. Затем окончательно устанавливают запасы устойчивости системы по фазе и модулю и находят основные показатели качества. Развитие теории автоматического регулирования на основе уравнений состояния, принципа максимума и метода динамического программирования совершенствует методику проектирования систем регулирования и позволяет создавать высокоэффективные автоматические системы для самых различных отраслей народного хозяйства.
В последние года этими проблемами занимались достаточно много учёных, том числе, Шубладзе А. М., Гуляев С. В ., Ким Д . П . и др.
В условиях перехода в Ираке на мирный зтап развития , строительства новых технологических установок по добыче и подготовке нефти, актуальной является задача исследования характеристик вводимых в эксплуатацию современных систем управления на пилотных технологических установках.
Данная работа посвящена разработке методов расчёта типовых систем автоматического регулирования с использованием современных информационных технологий.
Функциональная схема автоматизации основных технологических параметров
В учебной лаборатории института нефти в Багдаде создана пилотная установка для отработки методов расчета систем регулирования , которая моделирует четыре системы: систему регулирования расхода систему регулирования уровня систему регулирования давления систему регулирования температуры
Система регулирования расхода (рис. 1.2) , состоит из трубопровода , через который с помощью насоса вода поступает из резервуара СІ в резервуар С2. Расход измеряется с помощью диафрагмы FE и датчика расхода FT . Сигнал от датчика, пропорциональный текущему значению расхода, поступает на регулятор FIC , который сравнивает этот сигнал с сигналом задания, вырабатывает регулирующее воздействие и посылает его на регулирующий клапан FCV1, FCV2 с целью ликвидации рассогласования. OUTPUT OUTPUT SET SIGNAL CONTROLLER FICA С1 ME AS U SIG REMENT!NAL f C2 L k FCVT 1 AIR TO CLOSE Г-Ф- \ FCV21 AIR TO OP EN Ж r У К FRC t MP MEASURING ORIFICE Рис. 1.2 Система регулирования расхода На рис. 1.3 показана система регулирования уровня жидкости в резервуаре С2 . Текущее значение от датчика LT1 поступает на регулятор LIC , который сравнивает этот сигнал с сигналом задания. Выходной сигнал регулятора поступает на регулирующие клапаны FCV1, FCV2 чтобы ликвидировать рассогласование .
Показанная на рис 1.1 установка предназначена для исследования как простых одноконтурных, так и многоконтурных систем [21] . 1.2. Задача выбора закона регулирования. Для того, чтобы выбрать тип регулятора и определить его настройки необходимо знать: 1- Математическую модель объекта . 2- Статические и динамические характеристики объекта управления. 3- Заданные показатели качества регулирования. 4- Характер возмущений, действующих на процесс регулирования. На рис. 1.6 - 1.9 показаны результаты экспериментов , проведенных на представленной выше технологической установке, иллюстрирующие влияние 77, И, Д - составляющих регулятора на качество переходного процесса.
Нельзя использовать пропорциональное регулирование когда разница ( ошибка ) между текущим значением и сигналом задания влияет на качество производства, потому что в такой системе всегда будет статическая ошибка регулирования . чем меньше величина коэффицента усиления , тем меньше и статическая ошибка регулирования и наоборот. На рис. 1.6 и 1.7 показаны изменения выходного сигнала пропорционального регулятора в разомкнутой и замкнутой системе.
Для определения динамических свойств объекта на практике чаще всего используют методику снятия переходной характеристики.При определении динамических характеристик обьекта по его переходной характеристике (кривой разгона) на вход подается или ступенчатый пробный сигнал или прямоугольный импульс .
Во втором случае переходная характеристика (кривая отклика) должна быть достроена до соответствующей кривой разгона.Процесс получения передаточной функции обьекта, исходя из данных о переходном процессе,называется идентификацией обьекта.
Если проектируется система стабилизации технологического параметра, то переходная характеристика должна сниматься в окрестности рабочей точки процесса, Переходные характеристики необходимо снимать как при положительных, так и отрицательных скачках управляющего сигнала. По виду кривых можно судить о степени асимметрии обьекта. При небольшой асимметрии расчет настроек регулятора рекомендуется вести по усредненным значениям параметров передаточных функций. Линейная асимметрии наиболее часто проявляется в тепловых обьектах управления, При наличии зашумленного выхода желательно снимать несколько переходных характеристик (кривых разгона) с их последующим наложением друг на друга и получением усредненной кривой. При снятии переходной характеристики необходимо выбирать наиболее стабильные режимы процесса, І1РЩЄР;ЖЧШЄ При снятии переходной характеристики амплитуда пробного входного сигнала должна быть, с одной стороны, достаточно большой, чтобы четко выделялась переходная характеристика на фоне шумов, а, с другой стороны, она должна быть достаточно малой, чтобы не нарушать нормального хода технологического процесса. Примечание к таблице 1.1: Начальные условия снятия переходной характеристики:
В начальный момент необходимо, чтобы система управления находилась в покое, т.е. регулируемая величина X (например, температура в печи) и управляющее воздействие регулятора Y (выход регулятора на исполнительный механизм) не изменялись, а внешние возмущения отсутствовали. Например, температура в печи остается постоянной и исполнительный механизм не изменяет своего положения. Затем на вход исполнительного механизма подается ступенчатое воздействие, например,включается нагреватель. В результате состояние обьекта начинает изменяться [13].
Самовыравниванием процесса регулирования называется свойство регулируемого объекта после нарушения равновесия между притоком и расходом вернуться к новому положению равновесия самостоятельно, без участия человека или регулятора. Самовыравнивание способствует более быстрой стабилизации регулируемой величины и, следовательно, облегчает работу регулятора.Процесс изменения параметра X(t) и его переходная характеристика h(t) изображена на рис. 1.11. Сняв кривую разгона, и оценив характер объекта управления (с самовыравниванием или без) можно определить параметры соответствующей передаточной функции. Передаточную функцию объекта с самовыравниванием можно представить в виде W{P) = — е рт . Перед началом обработки переходную характеристику (кривую разгона) рекомендуется пронормировать (диапазон изменения нормированной кривой от 0 до 7) и выделить из ее начального участка величину чистого временного запаздывания.
Настройка регулятора на основе метода Циглера-Никольса
Далее по К и Т рассчитываются параметры настройки ПИД-регулятора по методу Циглера-Никольса. Эти вычисленные значения отображаются на экране рабочей станции DELTA-V.
Амплитуда релейных колебаний обычно составляет (3-10)% от диапазона изменения выходного сигнала регулятора. Амплитуда изменения выходного параметра составляет (1-3)% от его шкалы.
В ПИД-регуляторах, производимых НПФ «КонтрАвт» [53], реализован режим автоматической настройки параметров. В этом режиме регулятор выполняет двухпозиционное регулирование и по колебаниям измеренного сигнала рассчитывает параметры ПИД-регулятора, а затем автоматически переходит в режим ПИД-регулирования. Длительность настройки - один период колебаний в системе. Найденные таким образом параметры сохраняются в энергонезависимой памяти, поэтому при работе с одной и той же системой настройка производится только один раз. При необходимости параметры могут быть скорректированы вручную оператором.
Работа Н.П. Деменкова [54], посвящена автоматизированной настройке систем регулирования в пакете Unity Pro. Рассмотрены решения следующих проблем: моделирование объекта управления и возмущений, программирование, отладка и управление ПИД-регулятором, адаптация и автоматическая настройка ПИД-регулятора.
Передаточная функция объекта управления представлена апериодическим звеном с запаздыванием. В работе [55], рассматривается возможность применения в структуре типового ПИД-алгоритма дополнительной составляющей, пропорциональной второй производной, соответствующей, ускорению отклонения регулируемого параметра. Решается задача поиска оптимальных значений настроечных параметров в одноконтурной АСР с известным ПИД- и с предложенным ПИДЦ2-регуляторами. Для их настройки используется численный метод имитационного моделирования с применением авторской версии модифицированного генетического алгоритма (МГА). Приводятся результаты сравнительного анализа, который позволяет сделать вывод о том, что переход от ПИД к ПИДД - алгоритму дает заметный выигрыш по основным качественным показателям.
В работе [56], представлена динамическая модель, включающая в себя адаптивные регуляторы и классический регулятор. Модель реализована средствами Simulink MatLab. Позволяет проводить эксперименты для изучения адаптивных свойств регуляторов. Может быть использована как полноценный регулятор при применении специальных устройств ввода вывода. По результатам экспериментов были сделаны следующие выводы: 1. при управлении стационарным объектом целесообразней и дешевле использовать классический регулятор. 2. при управлении нестационарными объектами стоит применить адаптивную систему управления для существенного повышения качества управления.
Делается вивод о том , что так как практически все объекты управления нестационарные, вследствие естественного старения оборудования и воздействия внешних факторов (температура, давление и др.) целесообразно во всех системах автоматического регулирования использовать адаптивные регуляторы.
В работах В. М. Мазурова [58] по исследованиям особенности построения систем регулирования с использованием адаптивных технологий управления показывается, что в большинстве современньк SCADA-систем алгоритмы непосредственного цифрового регулирования технологическими процессами либо полностью отсутствуют, либо представлены лишь типовыми ПИ и ПИД алгоритмами. В этом смысле российская SCADA-система TRACE MODE отличается широким набором как типовых, так и новейших алгоритмов, реализующих технологию адаптивного управления, являющуюся продуктом типа "Ноу-Хау".
Адаптивные технологии позволяют полностью автоматизировать процесс настройки автоматических регуляторов для широкого класса промышленных объектов управления с запаздыванием. Они исключают необходимость использования обычных методов идентификации динамики объекта и методов ручного выбора и расчета оптимальных параметров настройки регуляторов. Использование этих алгоритмов с оптимальными параметрами их настройки обеспечивает высокое качество процессов управления объектами на всем этапе их дальнейшей эксплуатации.
Из приведенных публикаций по методам автоматической настройки ПИД-регуляторов можно видеть, что данное направление является востребованным.Однако сохраняемая настороженность производственников ввиду закрытости предлагаемых алгоритмов вызывает необходимость продолжения исследований. Выводы; 1. Экспериментальные исследования рассмотренных способов показали, что при синтезе закона регулирования для данного объекта предпочтение необходимо отдать ПИД-регулятору, который обеспечивает меньшее время регулирования по сравнению с ПИ-регулятором, но у ПИД-регулятора наблюдается повышенная нагрузка на исполнительное устройство (увеличена амплитуда регулирующего сигнала). 2. Наилучшие результаты показал метод Кохен-Куна. Данный метод обеспечивает наименьшее время регулирования в САР как с ПИ-, так и с ПИД-регулятором.
Стадии автонастройки
Вопрос эффективного управления технологическими процессами до сих пор остается наиболее актуальной темой для предприятий различных отраслей промышленности, включая нефтяную и газовую. Одним из составляющих факторов эффективного управления является задача автоматического поддержания технологических параметров на заданном уровне. С этой целью на предприятиях широко используются ПИД-регуляторы.
Однако основной проблемой при использовании данных регуляторов является необходимость настройки его параметров: коэффициента усиления, постоянной времени интегрирования и постоянной времени дифференцирования, причем системы автоматического регулирования должны удовлетворять заданным критериям качества переходных процессов (по быстродействию, перерегулированию, степени затухания и т.д.).
На практике из-за отсутствия специальних знаний и теоретического материала данные регуляторы настраиваются обслуживающим персоналом путем эмпирического подбора коэффициентов, что не всегда обеспечивает хорошее качество стабилизации регулируемых параметров. В лучшем случае используются инженерные методы настройки регуляторов, при которых обработка данных производится вручную (графоаналитическими способами). Данная процедура требует от исполнителя особого опыта, а также отнимает много времени на построение графиков переходных процессов, их обработку и вычисление коэффициентов.
Для решения указанной проблемы требуется разработка аналитических процедур идентификации динамических свойств объекта и определения на их основе наилучших (в соответствии с выбранным критерием качества) настроечных коэффициентов регулятора. Реализация функции автонастройки стала возможной благодаря появлению и использованию на технологических объектах современных программно-технических комплексов, обладающих высокими вычислительными возможностями и быстродействием.
Задачу автоматической настройки регулятора можно разбить на несколько этапов (стадий): 1. Оценка статистических характеристик объекта управления и информационно-измерительной системы. 2. Проведение активного эксперимента на объекте управления (построение кривой разгона). 3. Оценка динамических свойств объекта управления на основе данных активного эксперимента и определение по найденным оценочным параметрам объекта управления коэффициентов ПИД-регулятора. Оценка статистических характеристик объекта управления и информационно-измерительной системы необходима для определения зашумленности технологического процесса с целью дальнейшего устранения влияния шумов на оценку динамических свойств объекта.
Кривая разгона (получаемая при проведении эксперимента) показывает реакцию (отклик) объекта управления на тестовый сигнал, подводимый ко входу объекта.
Оценка динамических свойств объекта заключается в определении по кривой разгона коэффициентов математической модели объекта управления, которую,в общем случае,можно представить передаточной функцией вида (1): W-(v)= — (1) где: ko6 коэффициент усиления объекта; Tj Т2 - постоянные времени апериодических звеньев, характеризующих инерционность объекта; // — количество одинаковых звеньев.
Определение коэффициентов ПИД-регуляторов будем осуществлять по критерию максимальной степени устойчивости, который характеризуется робастными свойствами по отношению к изменяющимся или нелинейным характеристикам объекта управления [ 66].
При проведении идентификации характеристик объекта управления, одним из важных показателей, характеризующих динамические свойства объекта, является скорость изменения регулируемого параметра.
На второй стадии (рис. 3.2) проводится активный эксперимент с целью получения кривой разгона (реакции объекта управления на тестовый сигнал, подаваемый на вход объекта). Полученные экспериментальные данные в дальнейшем будут использоваться для определения статических и динамических свойств объекта. В качестве тестового сигнала в алгоритме используется единичный скачок заданной амплитуды. Единичный скачок подается на вход исследуемого объекта управления и наблюдается реакция объекта на изменение входного сигнала. В процессе получения кривой разгона одновременно определяется скорость изменения выхода объекта. Данный параметр необходим для определения характерных точек процесса на третьей стадии автонастройки. В частности, на третьей стадии автонастройки понадобятся следующие величины: максимальное значение скорости изменения выхода объекта — соответствует точке перегиба на кривой разгона; величины соответствующие уровням 0,2 и 0,7 от максимального значения скорости изменения выхода объекта.
Таким образом, основная задача второй стадии автонастроики заключается в поиске максимального значения скорости изменения выхода объекта и получения кривой разгона.
Алгоритм, реализующий вторую стадию автонастроики (рис. 3.2), предусматривает: блок оценки выхода величины скорости изменения выхода объекта за диапазон максимальной амплитуды помех;
Математическое моделирование основных процессов лабораторной установки
Для исследования одноконтурных систем автоматического регулирования в учебной лаборатории института нефти в Багдаде была создана лабораторная установка (рис. 1.1), на которой реализованы: 1- система регулирования расхода, 2- система регулирования уровня, 3- система регулирования давления, 4- система регулирования температуры.
В системе регулирования расхода жидкости, перекачиваемой из емкости С1 в емкость С2, информация от измерительного преобразователя расхода FT поступает на регулятор FC, который сравнивает этот сигнал с сигналом задания и в зависимости от сигнала рассогласования формирует управляющее воздействие в соответствии с ПИД законом регулирования. Выходной управляющий сигнал поступает на регулирующий клапан Fcvj, установленный на линии подачи воды из емкости С1 в емкость С2.
В системе регулирования температуры жидкости, подаваемой в емкость С1, информация от измерительного преобразователя температуры ТТ поступает на регулятор ТС, который сравнивает этот сигнал с сигналом задания и в зависимости от сигнала рассогласования формирует управляющее воздействие в соответствии с ПИД законом регулирования. Выходной управляющий сигнал поступает на регулирующий клапан Tcvj , установленный на линии подачи холодной воды (расход горячей воды может изменяться вручную).
В системе регулирования уровня жидкости в емкости С2, информация от измерительного преобразователя уровня LT поступает на регулятор LC, который сравнивает этот сигнал с сигналом задания и в зависимости от сигнала рассогласования формирует управляющее воздействие в соответствии с ПИД законом регулирования. Выходной управляющий сигнал поступает на регулирующий клапан Lcvj, установленный на линии сброса воды из емкости С2 в емкость С1.
В системе регулирования давления в емкости С2, информация от измерительного преобразователя давления РТ поступает на регулятор PC, который сравнивает этот сигнал с сигналом задания и в зависимости от сигнала рассогласования формирует управляющее воздействие в соответствии с ПИД законом регулирования. Выходной управляющий сигнал поступает на регулирующий клапан Pcvh установленный на линии подачи воздуха в емкость С2 и на регулирующий клапан Pcv2 (сброс воздуха в атмосферу). Цель данной главы заключается в построении динамической модели объекта по рассмотренным регулируемым параметрам — расходу воды, температуре, давлению и уровню — для дальнейшего апробования алгоритма автоматической настройки регулятора и исследования качества работы одноконтурных систем автоматического регулирования [71].
Fcv;; Fj - площадь сечения трубопровода, на котором установлено сужающее устройство; FJ - площадь сечения присоединительного патрубка регулирующего органа
Fcv г, Pci - давление в трубопроводе перед сужающим устройством; Pi — давление перед регулирующим клапаном Fcv і; Р2 — давление после регулирующего клапана Fcv і. При моделировании принимаются следующие допущения: свойство стационарности — параметры системы не меняются в широком диапазоне за малые промежутки времени; параметры сосредоточенные - расход жидкости есть величина постоянная для каждого участка трубопровода; каждый регулирующий клапан обладает таким свойством, что давление перед клапаном и давление после клапана меняются незначительно. пропускная характеристика исполнительного устройства - линейная.
