Содержание к диссертации
Введение
1. Принципы построения адаптивных систем управления на основе применения корректирующих устройств 16
1.1. Структура и принципы построения адаптивных систем управления 16
1.2. Структура и принципы построения адаптивных систем с подстраиваемым корректирующим устройством 25
1.3. Анализ корректирующих устройств 29
1.3.1. Линейные корректирующие устройства 29
1.3.2. Нелинейные и псевдолинейные корректирующие устройства 31
1.3.3. Корректирующие устройства с запоминанием экстремума 45
1.4. Выбор корректирующих устройств и механизмов адаптации 48
2. Разработка и исследование систем автоматического управления с адаптивными корректирующими устройствами 52
2.1. Разработка и исследование свойств корректирующих устройств с запоминанием экстремума производной от входного сигнала 52
2.2. Разработка и исследование свойств систем управления с адаптивным псевдолинейным корректирующим устройством с амплитудным по давлением 74
2.3. Разработка и исследование свойств систем управления с адаптивным корректирующим устройством с фазовым опережением 92
2.4. Разработка и исследование свойств систем управления с корректирующим устройством с раздельными каналами для амплитуды и фазы 108
2.5. Разработка и исследование свойств систем управления с частотно-независимыми корректирующими устройствами 123
3. Адаптивные корректирующие устройства, работающие на основе аппарата нечеткой логики 134
3.1. Анализ структур нечетких регуляторов 136
3.2. Разработка структуры и способа адаптации нечеткого корректирующего устройства 139
3.3. Разработка и исследование системы управления с нечетким реконфигурируемым корректирующим устройством 145
4. Методика синтеза систем автоматического управления, реализованных на базе адаптивных корректирующих устройств. Адаптивная коррекция в системе регулирования температуры на выходе кожухотрубного теплообменника в технологическом процессе производства этилена 151
4.1. Методика синтеза систем автоматического управления, реализованных на базе адаптивных корректирующих устройств 151
4.2. Система регулирования температуры на выходе кожухотрубного теплообменника процесса производства этилена в ООО «Томскнефтехим» 164
5. Программная реализация адаптивных корректирующих устройств 176
5.1. Программная реализация системы управления с адаптивным корректирующим устройством с амплитудным подавлением на контроллере Ремиконт Р—130 176
5.2. Программная реализация САУ с адаптивным корректирующим устройством с фазовым опережением 180
5.2.1. Программная реализация САУ с адаптивным корректирующим устройством с фазовым опережением на контроллере Ремиконт Р—130 180
5.2.2. Программная реализация САУ с адаптивным корректирующим устройством с фазовым опережением на контроллере КРОСС-500 184
Заключение 189
Список использованных источников 191
Приложение А 206
Приложение Б 210
Приложение В 228
Приложение Г 230
Приложение Д 237
- Нелинейные и псевдолинейные корректирующие устройства
- Разработка и исследование свойств систем управления с адаптивным корректирующим устройством с фазовым опережением
- Разработка структуры и способа адаптации нечеткого корректирующего устройства
- Система регулирования температуры на выходе кожухотрубного теплообменника процесса производства этилена в ООО «Томскнефтехим»
Введение к работе
Актуальность работы. Существенной практической проблемой автоматического управления является нестационарность параметров объекта управления. В условиях, когда происходит изменение свойств управляемого объекта, первоначальные настройки регулятора не обеспечивают требуемого качества, а в некоторых случаях и устойчивости систем управления. Большую чувствительность по устойчивости и качеству управления к изменению свойств объекта управления имеют параметрически оптимизируемые регуляторы. В таких случаях применяются адаптивные системы управления.
Проблеме адаптивного управления посвящено достаточно много работ. Известными работами в теории адаптивного управления являются труды Фельдбаума А.А., Цыпкина ЯЗ., Солодовникова В.В., Красовского А.А., Фрадкова А.Л., Ядыкина И.Б., Егупова Н.Д., Рутковского В.Ю. Но интерес к этой проблеме лишь усиливается, что объясняется постоянным повышением требований к качеству систем управления, а так же наличием на рынке средств автоматизации свободно программируемых контроллеров и их относительно невысокой стоимостью. Использование таких контроллеров в системах управления позволяет обеспечить эффективное управление объектами с нестационарными параметрами при наличии соответствующих законов управления и методов коррекции динамических свойств.
Большинство промышленных адаптивных систем управления построено на базе ПИД-регуляторов, параметры которых подстраиваются в процессе работы. Однако возможности адаптивных ПИД-регуляторов весьма ограничены. Они не всегда гарантируют требуемое качество управления при изменении свойств объекта управления в широких пределах. В то же время известна эффективность нелинейных и псевдолинейных корректирующих устройств (КУ). Такие устройства рассмотрены в работах Топчеева Ю.И., Попова Е.П., Хлыпало Е.И., Шарова С.Н. Они позволяют корректировать амплитудно-частотную (АЧХ) и фазо-частотную (ФЧХ) характеристики в широких пределах независимо друг от друга.
Поэтому перспективной структурой адаптивной системы управления можно считать такую, в состав которой входит ПИД-регулятор, имеющий постоянные настройки, и корректирующее устройство, параметры которого подстраиваются в процессе работы. Применение систем управления с адаптивными корректирующими устройствами позволяет сохранить устойчивость и требуемое качество управления объектами, параметры которых в процессе работы претерпевают существенные изменения.
Целью работы является разработка и программная реализация адаптивных корректирующих устройств на базе промышленных микропроцессорных контроллеров.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
Выбор корректирующих устройств, обеспечивающих независимое изменение амплитудной и фазовой частотных характеристик, и исследование их свойств и возможности использования в составе адаптивной системы.
Разработка псевдолинейных корректирующих устройств с фазовым опережением, меняющимся в диапазоне от 0 до 175 градусов, и разработка псевдолинейного корректирующего устройства, обладающего форсирующим свойством.
Разработка способов подстройки корректирующих устройств, основанных на оценке интегрального критерия на заданном временном интервале и текущей оценке значений АЧХ и ФЧХ объекта управления.
Разработка структуры и проведение исследований свойств систем управления с псевдолинейными корректирующими устройствами с амплитудным подавлением и фазовым опережением, корректирующими устройствами с запоминанием экстремума, а так же псевдолинейным корректирующим устройством с раздельными каналами для амплитуды и фазы.
Разработка способа реализации псевдолинейной коррекции, основанного на выборе типа адаптивного корректирующего устройства с помощью аппарата нечеткой логики.
Разработка программного обеспечения для промышленных контроллеров КРОСС-500 и Ремиконт Р—130, реализующего адаптивное управление на основе подстройки корректирующих устройств.
Разработка инженерной методики синтеза систем автоматического регулирования (САР) с адаптивными корректирующими устройствами.
Методы исследования. При решении задач, поставленных в диссертации, использовались методы теории автоматического управления, нечеткой логики, методы цифровой обработки информации, теория идентификации, методы математического имитационного моделирования с использованием инструментальных средств автоматизации математических и инженерных вычислений MatLab (Simulink), MathCAD.
Научную новизну работы определяют:
Способ адаптивного управления, основанный на применении ПИД-регулятора с постоянными параметрами и подстраиваемым корректирующим устройством.
Способ адаптивного управления, основанный на применении ПИД-регулятора с постоянными параметрами и псевдолинейного корректирующего устройства с раздельными каналами для амплитуды и фазы с подстройкой его параметров на основе стабилизации значения АЧХ
и ФЧХ на заданной частоте.
Адаптивные псевдолинейные корректирующие устройства с запоминанием экстремума производной входного сигнала, обеспечивающие фазовое опережение, меняющееся в диапазоне от 0 до 175 градусов, и форсирующее псевдолинейное корректирующее устройство.
Адаптивное псевдолинейное корректирующее устройство с подстройкой параметров на основе аппарата нечеткой логики.
Реконфигурируемое псевдолинейное корректирующее устройство.
Практическую ценность работы составляют:
Структуры систем управления с адаптивными корректирующими устройствами.
Модели систем управления с адаптивными корректирующими устройствами, разработанные в среде MatLab (Simulink).
Программные модули адаптивной коррекции динамических свойств САР, разработанные для контроллеров КРОСС-500 и Ремиконт Р—130.
Инженерная методика синтеза системы управления с адаптивным корректирующим устройством.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов и зависимостей обеспечивается их соответствием теоретическим положениям теории автоматического управления и теории адаптации, соответствием результатов, определенных теоретическим путем, результатам, полученным экспериментально на основе программной реализации алгоритмов адаптации на базе промышленных микропроцессорных контроллеров КРОСС-500 и Ремиконт Р—130, и проверкой работоспособности на лабораторном комплексе в режиме реального времени. А так же согласованием результатов экспериментов, полученных с помощью разработанного программного обеспечения, с результатами расчетов с помощью широко распространенных программных продуктов MathCAD и MatLab (Simulink).
Внедрение работы. Программные модули и методика синтеза систем управления с адаптивными корректирующими устройствами используются на ООО "Томскнефтехим" (г. Томск), ООО "Кавенит" (г. Томск). Результаты исследований и разработок, полученные в диссертационной работе, использованы так же в учебном процессе кафедры автоматики и компьютерных систем Томского политехнического университета при выполнении студентами лабораторной работы "Адаптивные псевдолинейные корректирующие устройства" при изучении курса "Автоматизированное управление в технических системах" и в процессе дипломного проектирования.
Практическое использование результатов диссертационных исследований подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Всероссийских научных конференциях молодых ученых: «НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ», г. Новосибирск, 2003-2006 гг.
II Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса», г. Тамбов, 2006 г.
IV международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2006», г. Калининград, 2006 г.
IV, V и VI Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», г. Томск, 2006-2008 гг.
XII, XIII, XIV и XV Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск, 2006-2009 гг.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 28 работ, включая 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 135 наименований, содержит 205 печатных страниц основного текста, 136 рисунков и 6 таблиц.
На защиту выносятся следующие положения:
Структура адаптивной системы управления с ПИД-регулятором, имеющим постоянные настройки, и адаптивным псевдолинейным корректирующим устройством.
Способ адаптивного управления, основанный на подстройке параметра псевдолинейного корректирующего устройства с амплитудным подавлением.
Способ адаптивного управления, основанный на подстройке параметров псевдолинейного корректирующего устройства с фазовым опережением.
Способ адаптивного управления, основанный на подстройке параметров псевдолинейного корректирующего устройства с амплитудным и фазовым каналами.
Методика определения значения ФЧХ разомкнутой системы на фиксированной частоте по значениям АЧХ разомкнутой и замкнутой систем.
Методика синтеза систем управления с ПИД-регулятором и адаптивным реконфигурируемым корректирующим устройством.
Нелинейные и псевдолинейные корректирующие устройства
Назначение корректирующих устройств в системах автоматического управления заключается в обеспечении необходимого запаса устойчивости и требуемого качества. В [47] показано, что наиболее желаемыми корректирующими устройствами являются такие, частотные характеристики которых имеют вид, представленный на рисунках 1.5-И .7.
Устройство с амплитудно-фазовой характеристикой, приведенной на рисунке 1.5, обеспечивает подавление усиления с ростом частоты без изменения фазы, а с частотной характеристикой, показанной на рисунке 1.6, обеспечивает увеличение фазового опережения с ростом частоты без изменения усиления. Корректирующее устройство с частотной характеристикой, показанной на рисунке 1.7, обеспечивает ослабление усиления, сопровождаемое увеличением фазового опережения с ростом частоты.
Свойствами, частично близкими к свойствам рассмотренных выше устройств, обладают только нелинейные устройства.
Нелинейная коррекция обладает более широкими возможностями по сравнению с линейной [13, 24, 47, 93, 105].
Она обладает более разнообразными по форме частотными характеристиками и обеспечивает возможность их изменения в зависимости от величины входного сигнала.
По назначению НКУ делятся на следующие группы: улучшающие качество переходных процессов, повышающие точность системы, оптимизирующие систему по определенному критерию, придающие системе инвариантные свойства по отношению к внешнему воздействию и изменению параметров [105].
По характеру действия НКУ можно разделить на статические и динамические.
По способу включения корректирующие устройства делятся на последовательные, параллельные и устройства, представляющие собой корректирующие обратные связи.
Однако.хорошо известно, что реализовать коррекцию системы управления с заданными свойствами можно как параллельным, так и последовательным устройством.
В [24] НКУ разбиты на нелинейные фильтры, динамические переключающие устройства и компенсационные устройства; Нелинейный фильтр представляет собой совокупность линейных звеньев, разделенных безинерционными элементами. Введение нелинейных фильтров в систему позволяет улучшить такие характеристики, как точность, быстродействие и качество переходных процессов. Вопросы проектирования САУ с нелинейными фильтрами при гармонических воздействиях подробно рассмотрены в работах Е.П. Попова и Ю.И. Топчеева [47].
Нелинейные динамические переключающие устройства предназначены для улучшения динамических характеристик автоматических систем [103]. Принцип действия нелинейных динамических переключающих устройств состоит в том, что во время колебательного переходного процесса в системе управления реальный управляющий сигнал на некоторых, как правило, небольших интервалах времени заменяется специально сформированным сигналом. Таким образом, управление в системе на этих интервалах времени переключается с управляющего на корректирующий сигнал.
Нелинейные динамические переключающие устройства рассмотрены в трудах Е.И. Хлыпало, В.Я. Зельченко, С.Н. Шарова [24, 105].
Компенсационные НКУ позволяют полностью скомпенсировать вредное влияние сопутствующей нелинейности либо существенно его ослабить.
В [104] даётся классификация НКУ и рассматриваются переключающие КУ. В [47] нелинейные корректирующие устройства разбиты на три группы, а именно: четырехполюсники последовательного и параллельного действия, нелинейные законы управления и корректирующие устройства, использующие элементы неизменяемой части системы.
В первую группу входят нелинейные, псевдолинейные и комбинированные устройства. Псевдолинейными считают корректирующие устройства, частотные характеристики которых не зависят от амплитуды входного сигнала, а зависят только от частоты. Псевдолинейные корректирующие устройства могут быть реализованы в виде двух-, трех- и многоканальных четырехполюсников. Выходной сигнал ПКУ формируется на основе перемноження сигналов отдельных каналов. В состав таких устройств могут входить линейные и нелинейные звенья.
Нелинейные корректирующие устройства формируются путем включения в прямую цепь системы управления либо в цепи обратных связей. Частотные характеристики таких устройств зависят как от частоты, так и от амплитуды входного гармонического сигнала.
Комбинированные корректирующие устройства состоят как из нелинейных, так и из псевдолинейных.
Вторую группу корректирующих устройств составляют функциональные, логические, параметрические и оптимизирующие законы управления [49]. Функциональные нелинейные законы управления компенсируют нежелательное влияние нелинеиностеи, присутствующих в системе, и улучшают устойчивость и качество систем управления.
Функциональные нелинейные законы записываются в форме функциональных зависимостей, от входных сигналов и их производных. В некоторых случаях функциональные законы представляются в виде функций от входного сигнала, его производных или некоторой комбинации от входных и выходных сигналов.
Логические нелинейные законы управления обеспечивают возможность изменения параметров w структуры систем управления.
Реализуются такие законы с помощью различных блоков, например «И», «ИЛИ». В них также используются вентильные, релейные или другие виды переключающих блоков. Все эти блоки выполняют логические операции, приводящие к изменению параметров или структуры» нелинейных корректирующих устройств.
Оптимизирующие нелинейные законьъ обеспечивают поддержание на уровне экстремума (максимума или минимума) заданных параметров і системы управления. Реализация данных законов выполняется с помощью устройств, состоящих из переключающих блоков (с одного максимально возможного значения на другое, противоположного знака) и блоков ния. Определение моментов переключения для систем общего вида второго порядка весьма затруднительно, а иногда и невозможно.
Третью группу составляют корректирующие устройства с перес-згггрэс ;ЕЗ:-кой коэффициента усиления, с перестройкой параметров системы и с :nrzc srp ej-стройкой программы средств вычислительной техники, на базе Ko- c pQg реализуются корректирующие устройства.
Среди нелинейных устройств, используемых для коррекции систем автоматического управления, выделяют класс устройств, эквив в_з-ные амплитудно-фазовые частотные характеристики которых не завис згх- от амплитуды входного сигнала [10, 44, 47, ПО]. Такие устройства пришгзс-,, называть псевдолинейными [47].
Обычно у псевдолинейных корректирующих устройств, взаиміс .сх&язь амплитудной и фазовой частотных характеристик отсутствует. Псевдол ц с е.:0:_ ные корректирующие устройства состоят из линейных фильтров, созда огпнх фазовое опережение или запаздывание, и блоков, выполняющих разлп эгн ые математические операции, такие как взятие модуля, определение знака. елн_ чины, умножение, деление.
Псевдолинейные корректирующие устройства могут быть реали:з. о: ь ІІЇЬІ в виде двух- и трехканальных нелинейных фильтров, в которых каналх о; дзлхя амплитуды и фазы являются независимыми.
Выходной сигнал в этих корректирующих устройствах формирует? СЇЗІ в виде произведения сигналов с выхода каждого из каналов. Канал с 5:тхс :к:о;м абсолютной величины формирует амплитудные соотношения, а каналх с; -релейным блоком формирует фазовые соотношения. Для подбора надле Фе нсздцх значений амплитудных и фазовых соотношений применяются лиц фильтры.
Разработка и исследование свойств систем управления с адаптивным корректирующим устройством с фазовым опережением
В состав корректирующего устройства с фазовым опережением входит звено усиления, нелинейный элемент типа модуль, интегро-дифференцирующее звено и блок сигнатуры. Варьируемыми параметрами, определяющими свойства фильтра, являются постоянные времени интегро-дифференцирующего звена Т и 7. Значение 7] остается фиксированным, а значение Т меняется.
Приняв значения К=\, Г] =0,01с и меняя значение параметра Т следующим образом: Г=0,2; 0,3; 0,5; 0,8; 1; 2; 3; 5; 8; 20с, были получены семейства ЛАЧХ (см. рис. 2.43) и ФЧХ (см. рис. 2.44). На рисунках кривые 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10 соответствуют значениям постоянной времени Г корректирующего устройства, соответственно 0,2; 0,3; 0,5; 0,8; 1; 2; 3; 5; 8; 20с.
Приняв значения К=\, 7j =0,1 с и меняя значение параметра Т следующим образом: 7=0,2; 0,3; 0,5; 0,8; 1; 2; 3; 5; 8; 20с, были получены семейства ЛАЧХ (см. рис. 2.45) и ФЧХ (см. рис. 2.46). На рисунках кривые 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10 соответствуют значениям постоянной времени Г корректирующего устройства, соответственно 0,2; 0,3; 0,5; 0,8; 1; 2; 3; 5; 8; 20с.
По графикам амплитудных и частотных характеристик видно, что данный нелинейный фильтр обладает незначительным амплитудным подавлением, значение которого увеличивается при увеличении параметра Т, и значительным фазовым опережением, значение которого увеличивается при увеличении параметра Т.
Таким образом, изменение значения параметра Т можно использовать для изменения частотных свойств корректирующего устройства, а следовательно, для реализации корректирующего устройства с фазовым опережением как адаптивного.
Рассмотрим работу САУ с последовательным псевдолинейным корректирующим устройством с фазовым опережением. Структурная схема такой системы представлена на рисунке 2.47.
Проведем исследование свойств САУ объектом второго порядка с: передаточной функцией (2.19) и ПИ-регулятором с передаточной функцией (2.20); Параметры объекта управления приняты равными 7]=3,872с; Т2=6с; К=\. Параметры ПИ-регулятора приняты равными Кп-\; Тн=2с.
Проведем исследование реакции системы на единичное, задающее ступенчатое воздействие при одинаковых параметрах объекта управления и разных параметрах корректирующего устройства;, Значение постоянной времени-7] корректирующего устройства примем равным 7]=0Цс.
Наірисунке 2148шредставлена модель,САУ объектом второго порядка с корректирующим устройством с фазовым? опережением; реализованная, ві среде MatEab (Simulink) по: структурной схеме;, представленной - на ; рисунке Меняя значение постоянной времени Т корректирующего устройства, получено семейство кривых переходного процесса на задающее ступенчатое воздействие. Данное семейство представлено на рисунке 2.49. На рисунке кривые 1; 2; 3; 4 соответствуют значениям постоянной времени корректирующего устройства Т =0,5; 2; 4; Юс.
Моделирование показало, что при увеличении значения параметра Т корректирующего устройства переходный процесс становится менее колебательным, уменьшается время регулирования.
Таким образом, характер кривых переходного процесса САУ существенно зависит от значения постоянных времени Г и Ї] корректирующего устройства. С увеличением постоянной времени Т, при одном и том же значении постоянной времени 7], уменьшается величина перерегулирования, увеличивается затухание и меняется быстродействие системы. Это позволяет реализовать такую систему как адаптивную, в которой параметры настройки регулятора в процессе работы не меняются, а осуществляется подстройка постоянной времени Т корректирующего устройства.
Структура системы автоматического управления с адаптивным псевдолинейным корректирующим устройством с фазовым опережением, разработанная автором данной работы, подобна структуре, представленной на рисунке 2.25. Данная система относится к классу поисковых адаптивных систем. Критерием качества может выступать значение интегрального квадратичного критерия, определенного на заданном временном отрезке после воздействия на систему пробного сигнала прямоугольной формы, накладываемого в процессе работы САУ на задающее воздействие.
Интегральный квадратичный критерий определяется по формуле (2.21). Показателем качества могут быть и другие критерии, например: перерегулирование, быстродействие, затухание.
Для выбора критерия подстройки корректирующего устройства проведем исследование влияния коэффициентов настройки корректирующего устройства Т и 7] на отдельные показатели качества.
В таблице 5 приложения Б представлены результаты исследования САУ объектом второго порядка с корректирующим устройством с фазовым опережением для различных значений статического коэффициента передачи объекта управления с передаточной функцией (2.19) и ПИ-регулятором с передаточной функцией (2.20). Значения постоянных времени объекта управления приняты равными 7]=1с; Г2=3с. Параметры ПИ-регулятора приняты равными А"п=1; Ги=2с.
Показатели качества определялись на временном интервале, равном 120с, в процессе работы системы по реакции на ступенчатое изменение задающего воздействия с 10 до 11 единиц. Показателями качества являются: интегральный квадратичный критерий, определяемый формулой (2.21), перерегулирование и время переходного процесса.
Исследование проводилось при значении постоянной времени КУ 7} =0,1 с и варьировании Г в диапазоне от 0,1 до 20с.
В таблице 6 приложения Б представлены результаты исследования САУ описанным выше объектом для различных значений постоянной времени объекта управления 7] при К—\ и Г2=3с. Показатели качества определялись на временном интервале, равном 500с, в процессе работы системы по реакции на ступенчатое изменение задающего воздействия с 10 до 11 единиц. Исследование проводилось при значении постоянной времени КУ 7]=0Цс и варьировании Т корректирующего устройства в диапазоне от 0,1 до 20с.
Анализ данных таблиц 5 и 6 приложения Б показывает, что интегральный, квадратичный критерий для? систем, управления с КУ с фазовым;опережением имеет экстремум и характеризует отдельные показатели качества " ЄАУ. Наряду с; этим; от имеет недостаток, состоящий в? том, что в точке минимума перерегулирование может быть большим, чем в других, точках. Это связано с тем; что прш значении ошибки: меньше единицы её: квадрат будет меньше самого значения ошибки. Если: значение ошибки; величинам которой меньше единицы существует продолжительное время,.то интегральное значение квадрата ошибки при колебательном переходном процессе будет меньше по сравнению с его значением при апериодическом: переходном процессе
Таким образом; данный критерий; можно использовать для подстройки параметра: корректирующего) устройства;, но. при» этом оценка: значения і данного критерия должна проводиться с учетом других показателей качества; что усложняет реализацию системы. Поиск минимального значения критерия: целесообразно искать в области допустимых значений: величины перерегулирования и времени переходного процесса для рассматриваемой САУ.
Рассмотрим, как зависит интегральный модифицированный критерий от параметров настройки корректирующего устройства. Интегральный модифицированный критерий качества определяется формулой (2.22).
В таблице 7 приложения Б представлены результаты исследования САУ объектом управления, описанным выше, со значениями постоянных времени объекта 7] =1с; 7 =3 с и различными значениями К объекта управления. Показатели качества определялись на временном интервале, равном 120с, в процессе работы системы по реакции на ступенчатое изменение задающего воздействия с 10 до 11 единиц. Исследование проводилось при значении параметра корректирующего устройства 7] =0,1 с и варьировании Т в диапазоне от 0,1 до 20с.
Разработка структуры и способа адаптации нечеткого корректирующего устройства
Если рассматривать структуры систем управления» с адаптивными корректирующими устройствами, работающими на основе аппарата нечеткой логики, то можно воспользоваться структурами, подобными структурам, изображенным на рисунках 3.3 и 3.4, в которых используется обычный параметрически оптимизируемый регулятор и адаптивное корректирующее устройство. На рисунке 3.5 приведена структура адаптивной системы, в которой подстройка корректирующего устройства осуществляется по значению интегрального критерия качества.
В такой системе вычисление интегрального критерия качества системы осуществляется по оценке за определенный отрезок времени. Ключевыми вопросами, которые определяют эффективность работы систем управления с корректирующими устройствами, работа которых осуществляется по-нечеткой логике, являются база правил и способ адаптации.
В научных исследованиях, проводимых в рамках данной работы, рассматривалась реализация нечетких корректирующих устройств на базе корректирующих устройств с амплитудным подавлением и фазовым опережением [73, 76].
Основным отличием нечетких корректирующих устройств от устройств, рассмотренных в разделах 2.2 и 2.3 диссертации, является то, что параметры настройки меняются в соответствии с используемыми методами фазификации и дефазификации. В связи с тем, что реализации нечетких корректирующих устройств с амплитудным подавлением и фазовым опережением принципиально не отличаются, в данном разделе рассматриваются вопросы реализации нечеткого корректирующего устройства с фазовым опережением. В разделе 3.3 рассматривается нечеткое корректирующее устройство с реконфигурируемой структурой.
Исследование системы с корректирующим устройством с фазовым опережением на основе нечеткого логического вывода по интегральному критерию
Для реализации процесса нечеткого моделирования в среде MatLab (Simulink) предназначен специальный пакет расширения Fuzzy Logic Toolbox [16, 34, 131]. Пакет Fuzzy Logic Toolbox (пакет нечеткой логики) - это совокупность прикладных программ, относящихся к теории размытых или нечетких множеств и позволяющих конструировать так называемые нечеткие экспертные или управляющие системы. Основные возможности пакета: построение систем нечеткого вывода (экспертных систем, регуляторов); построение адаптивных нечетких систем; интерактивное динамическое моделирование в MatLab (Simulink).
Графический пользовательский интерфейс системы нечеткого вывода состоит из редактора системы нечеткого вывода Fuzzy Inference System Editor (FIS Editor или FIS-редактор), редактора функций принадлежности (The Membership Function Editor), редактора правил (The Rule Editor), подсистем для просмотра правил и схем нечетких выводов (The Rule Viewer), просмо-торщика поверхностей (The Surface Viewer).
MatLab (Simulink) с помощью fuzzy-библиотеки позволяет реализовать различные функции принадлежности [32, 40]. Самые простые в реализации — это trimf - треугольная и trapmf - трапецеидальная, а также более сложная функция gaussmf- функция принадлежности в форме кривой Гаусса.
На рисунке 3.6 представлена структура адаптивной САУ с корректирующим устройством с фазовым опережением на основе нечеткого логического вывода по интегральному критерию.
На рисунке использованы обозначения: БАК - блок анализа интегрального критерия; БНП - блок нечетких преобразований; БПКУ - блок подстройки корректирующего устройства; ГПС - генератор пробного сигнала.
В качестве корректирующего устройства используется корректирующее устройство с фазовым опережением. Подстройка осуществляется изменением значения постоянной времени Т корректирующего устройства. В качестве критерия подстройки выбран интегральный критерий, определяемый формулой (2.25).
Работа системы осуществляется следующим образом. После запуска САУ в работу и окончания переходного процесса блок ГПС посылает в САУ импульс заданной длительности и амплитуды, после чего в блоке БАК происходит подсчет оценки интегрального критерия, которая запоминается в нем в качестве эталонной оценки. По прошествии некоторого времени ГПС. вновь посылает в САУ импульс и вновь в блоке БАК происходит подсчет текущей оценки интегрального критерия, после чего текущая оценка сравнивается с эталонной и результат сравнения поступает в БНП. Выходной величиной БНП является значение постоянной времени Т корректирующего устройства, которое поступает в КУ и запоминается в нем.
На рисунке 3.7 показана модель САУ объектом второго порядка с нечетким адаптивным корректирующим устройством с фазовым опережением.
Модели блоков ГПС, БАК, БПКУ приведены в приложении В, соответственно на рисунках 1; 2; 3.
В-блоке БНП на основе процедуры» фазификации определяются значения, функций принадлежности лингвистической переменной интегрального критерия «/». Терм-множество переменной «/» является, следующим: «малый», «средний» «большой» [133, 134].
На основе базы правил определяется выходная-лингвистическая переменная «Т», которая в дальнейшем на основе процедуры логического вывода и дефазификации используется для подстройки корректирующего устройства. Терм-множество переменной «7» является следующим: «малый», «средний» «большой».
Функции принадлежности для переменной «7» сформированы на основе исследований адаптивных САУ объектом управления с передаточной функцией (2.19), проведенных в разделе 2.
Подстройка корректирующего устройства осуществляется по следующей базе правил:
Правило 1: Если «7» - «малый», тогда «Т» — «малый».
Правило 2: Если «7» - «средний», тогда «7» - «средний».
Правило 3: Если «7» - «большой», тогда «Г» - «большой».
Алгоритмом вывода в блоке БНП является алгоритм «Mamdani». В этом алгоритме значение выходной переменной определяется методом центра массы фигуры [40, 91].
На рисунке 3.10 приведена иллюстрация процесса подстройки САУ объектом второго порядка. Передаточная функция объекта управления определяется формулой (2.19). Передаточная функция регулятора определяется формулой (2.20). Начальные параметры объекта управления приняты равными 7]= 1с; Г2=3с; К=\. Параметры ПИ-регулятора приняты равными Кп=1; 7]j=2c. Параметры КУ, с которыми САУ запускается в работу приняты равными Г=0,1с; 7] =0,1 с.
Система регулирования температуры на выходе кожухотрубного теплообменника процесса производства этилена в ООО «Томскнефтехим»
Производство олефинов (этиленовых углеводородов) основано на техническом разложении углеводородного сырья на ряд продуктов и выделение этих продуктов с заданной степенью чистоты. В зависимости от условий разложения преобладающим является тот или иной продукт. При этилен-пропиленовом режиме олефины С2-С4 составляют до 50-Н50 % (на перерабатываемое сырье); всего же получают десять процентов - водород, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, фракции С4 и Cs, ароматические углеводороды и жидкое топливо. Наиболее потребляемым продуктом нефтехимической промышленности является этилен.
Схема данного производства включает две основные установки - пиролиза и газоразделения. Установка пиролиза представляет собой группу параллельно работающих бензиновых и этановых печей. Сырье поступает в каждую печь отдельными потоками, а продукт пиролиза (пирогаз) по общему коллектору направляется на установку газоразделения. Установка газоразделения отличается- сложностью; что обусловлено-многокомпонентностью-поступающей на её вход углеводородной смеси. Сначала пирогаз поступает в узел первичного- фракционирования, компрессии, очистки и осушки, где часть пирогаза конденсируется на сепараторах в жидкое топливо, которое отводится на склад. Именно этот узел и будет рассматриваться в данной работе. А главной задачей является автоматизация процесса компримирования и межступенчатого охлаждения пирогаза.
Функциональная схема компримирования и межступенчатого охлаждения пирогаза представлена на рисунке 4.3.
Далее происходит сжатие пирогаза до 3,6-Н-,0 МПа (36 -40кгс/см2) и нагревание до 117-4300 С. После нагревания, пирогаз вновь идет в холодильник и охлаждается до 35- -400 С. После этого пирогаз поступает в первичную метановую колонну, предназначенную для грубой очистки метановодород-ной фракции.
Тяжелое жидкое топливо, т. е. пироконденсат, прежде чем попасть на склад проходит через кожухотрубный теплообменник Т6, где нагревается до 800 С. Нагревшись до нужной температуры, поток конденсата отводится на склад.
Составление математической модели для системы регулирования температуры в кожухотрубном теплообменнике
В данном технологическом процессе применяется теплообменник с изменяющимся агрегатным состоянием вещества. Особенность этого теплообменника как объекта управления состоит в том, что при постоянном давлении и отсутствии переохлаждения образующегося конденсата температура жидкой и паровой фаз одинакова и по ней нельзя судить об интенсивности процесса испарения. Поэтому основным показателем процесса теплообмена является уровень жидкой фазы.
Постоянство температуры в этой части теплообменника, где происходит испарение вещества, позволяет рассматривать ее как звено с сосредоточенными параметрами. Ту часть теплообменника, в которой происходит лишь нагрев вещества и температура изменяется по длине теплообменника, следует рассматривать как звено с распределенными параметрами [11].
На рисунках 4.4 и 4.5 представлены схемы теплообменника.
Данные для расчета теплообменника. Универсальная газовая постоянная равна 8,314 Дж/К.моль. Температура греющего пара равна 150 С. Объем кожуха - 3,5 м . Коэффициенты усиления к\—5\ Аг2=1,8. Давление греющего пара - 2 кгс/см . Температура в теплообменнике равна 90 С. Материал трубок - стЗ (толщина стенки 2,5 мм.; диаметр трубки 20 мм.; длина трубок 2,5 м.). Масса одного метра стенки - 0,65 кг/м. Коэффициент теплопередачи- на внутренней поверхности трубы - 760 Дж/м2- с.
Структурная схема системы регулирования температуры жидкости на выходе из кожухотрубного теплообменника приведена на рисунке 4.6.
Структурная схема системы регулирования температуры жидкости на выходе из кожухотрубного теплообменника, дополненная корректирующим устройством с фазовым опережением приведена на рисунке 4.9.
На рисунке 4.10 представлена модель системы регулирования температуры жидкости на выходе из кожухотрубного теплообменника, дополненная адаптивным корректирующим устройством с фазовым опережением, реализованная в среде MatLab (Simulink).
Корректирующее устройство первоначально настроено таким образом, чтобы не вносить изменений в систему управления, поэтому график переходного процесса на единичное ступенчатое воздействие будет аналогичным графику, представленному на рисунке 4.8.
Структурная схема системы регулирования температуры жидкости на выходе из кожухотрубного теплообменника, дополненная корректирующим устройством с амплитудным подавлением приведена на рисунке 4.11.
На рисунке 4.12 представлена модель системы регулирования температуры жидкости на выходе из кожухотрубного теплообменника, дополненная. адаптивным корректирующим устройством с амплитудным подавлением, реализованная в среде MatLab (Simulink).
Корректирующее устройство настроено таким образом, чтобы не вносить изменений в систему управления, поэтому график переходного процесса на единичное ступенчатое воздействие будет аналогичным графику, представленному на рисунке 4.8.
В процессе работы системы на объект управления действуют внешние и внутренние возмущения. Внешними возмущениями могут являться: температура окружающей среды, температура пироконденсата, поступающего на вход теплообменника, температура пара, греющего теплообменник.
Внутренними возмущениями объекта управления могут являться: изменение коэффициента теплопередачи на наружной поверхности трубы; изменение коэффициента теплопередачи на внутренней поверхности трубы; удельная теплоемкость стенки трубки теплообменника.
Эти параметры входят в значение постоянных времени Т2 и 7з передаточной функции теплообменника. При уменьшении удельной теплоёмкости стенки трубки теплообменника или уменьшении удельной теплоёмкости жидкости уменьшатся и значения постоянных времени Т2 и 7з передаточной функции теплообменника.
Рассмотрим случай, когда удельная теплоёмкости стенки трубки теплообменника уменьшилась настолько, что значение постоянной времени Т2 передаточной функции теплообменника уменьшилось с Г2=25,8с до Г2=17с.
На рисунке 4.13 приведены кривые переходных процессов-на единичное ступенчатое воздействие в системах с- исходным-и изменившимся значением постоянной времени То передаточной функции теплообменника.. На рисунке-кривая 1 соответствует переходному процессу со значением исходной, а кривая 2 - значением изменившейся постоянной1 времени Т2 передаточной функции теплообменника.
Как видно из рисунка, при изменении значения параметра Т2 объекта управления- качество САУ ухудшилось. Чтобы улучшить качество системы управления, необходимо подстроить корректирующие устройства, системы с которыми приведены на рисунках 4.9 и 4.1 Г.
На рисунке 4.14 представлены-кривые переходных процессов на единичное ступенчатое воздействие в исходной системе без»КУ со значением постоянной времени объекта управления Т2=17с и в системах, дополненных корректирующими устройствами, которые подстроены к изменившемуся значению Т2 объекта управления. На рисунке кривая 1 соответствует переходному процессу в системе без КУ, кривая 2 соответствует системе с КУ с фазовым опережением, кривая 3 соответствует переходному процессу в системе с КУ с амплитудным подавлением.
![Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс]](/i/i/4409/168295.png "Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс] Склярова Татьяна Петровна")
