Адаптивное регулирование объектами с пропорциональными исполнительными механизмами (блок APID);
Мазуров В.М., д.т.н., профессор Тульского госуниверситета
Тел.(0872) 44-31-58, e-mail: mbm@tula.net
http://www.adastra.ruСпицин А.В., к.т.н., доцент Тульского госуниверситета, тел.(0872) 40-16-53
В большинстве современных 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 выгодно отличается от аналогичных зарубежных систем широким набором как типовых, так и новейших алгоритмов, реализующих технологию адаптивного управления, являющуюся продуктом типа "Ноу-Хау". Технология адаптивного управления – это технология организации высококачественного управления технологическими процессами, основанная на использовании новейших методов идентификации динамики объектов, методах адаптивного и модального управления по моделям объектов и методах оптимизации настроек регуляторов. 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. Кроме этого, в самих регуляторах используются более совершенные (по сравнению с типовыми ПИД законами) алгоритмы управления. Использование этих алгоритмов с оптимальными параметрами их настройки и обеспечивает высокое качество процессов управления объектами на всем этапе их дальнейшей эксплуатации.
В настоящее время в SCADA системе Trace Mode 5 имеются шесть алгоритмов цифрового управления, адаптации и идентификации, реализованных в виде соответствующих FDB-блоков:
Адаптивное регулирование объектами с пропорциональными исполнительными механизмами (блок APID);
Адаптивное регулирование объектами с интегрирующими исполнительными механизмами (блок APDD);
Настройка PID-закона по скачку сигнала задания (блок RJMP);
Идентификация объекта управления (блок IDNT);
Настройка PID-закона по известным параметрам объекта (блок CALC);
Модальный регулятор для промышленных объектов с запаздыванием (блок MREG).
Важнейшей особенностью блоков, реализующих новые алгоритмы управления, является использование в них нормированных временных параметров. Нормировка параметров модулей осуществляется по величине периода квантования (опроса) для данного канала управления, причем знание величины периода для работы блока не требуется. Необходимость нормировки объясняется принципом работы цифровых систем управления. Величина периода квантования может устанавливается различной для каждого канала регулирования в зависимости от инерционности объекта и информационной нагрузки на систему. В связи с этим, в алгоритмах используются нормированные значения постоянной времени интегрирования и дифференцирования регулятора (и соответственно коэффициенты усиления по интегральной и дифференциальной составляющим), а также параметры модели объекта (постоянной времени объекта и величина запаздывания). Поэтому, при значительном (более 20%) изменении периода квантования в данном контуре, необходимо повторно запускать соответствующие блоки адаптации и идентификации, либо вносить коррекцию временных параметров, пропорциональную величине изменения периода.
Кроме этого, блоки идентификации, модального и адаптивного регулирования могут сами корректировать (но только в сторону увеличения) период формирования управляющего воздействия. Так, блок идентификации объекта, наряду с параметрами модели объекта, выдает и величину коэффициента прореживания (>=1). Этот коэффициент указывает насколько реже можно формировать выходной сигнал, не теряя при этом качества управления. Этот же коэффициент прореживания используется и в блоке модального регулирования. При этом период опроса канала остается прежним. Блоки адаптивного управления начинают прореживать входной сигнал, если величина нормированного периода пробных колебаний становится больше 240. Эти блоки не могут работать, если величина нормированного периода пробных колебаний будет меньше 12. Это происходит в том случае, если установлен слишком большой период опроса канала.
Блоки, реализующие адаптивные технологии можно запускать сразу для всех контуров регулирования, причем не только на этапе пуско-наладки, но и на этапе нормальной эксплуатации, по мере надобности. Последняя модификация блоков APID и APDD позволяет вообще не отключать процесс автонастройки регуляторов. Это особенно актуально для объектов с изменяющимися характеристиками или для объектов работающих со значительными колебаниями нагрузки.
Блок APID адаптивного регулирования используется для управления объектами, оснащенными пропорциональными исполнительными механизмами, а блок APDD - для управления объектами, оснащенными интегрирующими исполнительными механизмами постоянной или переменной скорости отработки. Оба модуля работают в два этапа: на первом этапе на вход объекта, наряду с сигналом с регулятора, подается пробный синусоидальный сигнал небольшой амплитуды. По амплитуде и фазе гармонической составляющей сигнала на выходе объекта контур адаптации путем изменения частоты пробных колебаний пытается отследить заданный фазовый сдвиг в объекте. Достигнув этого, контур рассчитывает оптимальные параметры настройки регулятора. На втором этапе генератор пробных колебаний и контур адаптации отключаются, и начинает работать регулятор с оптимально настроенными параметрами. При необходимости процесс самонастройки можно запускать периодически, либо вообще не отключать. В последнем релизе системы (начиная с 11-того) в эти модули введена возможность установки начального нормированного периода колебаний и величина добротности заграждающих фильтров блока адаптации. Начальный период пробных колебаний должен выбираться таким образом, чтобы в выходном сигнале объекта четко просматривалась гармоническая составляющая. Величина добротности заграждающих фильтров для детерминированных объектом рекомендуется устанавливать в диапазоне 1-5, для малошумящих объектов - в диапазоне 5-15, для объектов с высоким уровнем шума - в диапазоне 15-50. Необходимо учитывать, что с увеличением величины добротности увеличивается время самонастройки. По желанию, можно выбрать режим работы ПИ или ПИД регулятора с плавной или форсированной отработкой сигнала задания.
Блок RJMP настройка ПИД (или ПИ) - закона по скачку задания обеспечивает подстройку параметров регулятора при каждой смене сигнала задания (если блок включен в работу). Обычно достаточно трех – четырех небольших скачков по сигналу задания со стороны оператора, чтобы параметры настройки регуляторы приблизились к оптимальным значениям. Дальнейшие скачки обычно не приводят к существенному уточнению параметров настройки. Блок имеет высокое быстродействие, прост и нагляден в работе.
Блок IDNT идентификации объекта предназначен для определения параметров динамической модели управляемого объекта. Для этого он снимает кривую отклика объекта на прямоугольный импульс по сигналу управления. Допустимая амплитуда пробного импульса задается пользователем в зависимости от характера и свойств ОУ. Сброс импульса управления осуществляется автоматически при достижении выходной переменной допустимой величины отклонения (обычно 5-10%). Путем математической обработки импульсной кривой объекта определяются его параметры в виде передаточной функции инерционного звена первого порядка с запаздыванием. Следует учитывать, что величина постоянной времени и запаздывание выдаются в периодах опроса данного канала идентификации (нормированные значения). Знание параметров объекта позволяет не только рассчитать оптимальные коэффициенты настроек различных регуляторов, но и оценивать изменение динамических свойств объекта (например, степень увеличения накипи в трубах теплообменника).
Блок MREG, получая от модуля IDNT нормированные параметры передаточной функции объекта, автоматически рассчитывает оптимальные для данных параметров объекта коэффициенты модального регулятора с наблюдателем полного порядка и переходит в режим управления. При этом должен сохранять период опроса канала, при котором работал блок IDNT. Наличие в структуре регулятора цифровой модели объекта и наблюдателя позволяет сформировать упрежденный по времени на величину запаздывания выход объекта. Такой подход обеспечивает высокое качество управления для объектов с любым, даже очень большим запаздыванием в каналах управления или измерения. Модальный регулятор может обеспечить в два – три раза большее быстродействие, чем оптимально настроенный ПИД-регулятор, при значительно меньшей чувствительности к шумам в канале измерения. В последнем релизе системы (начиная с 11-того) в этот блок введена возможность установки величины корня наблюдателя в диапазоне 0-1. Для малошумящих объектов рекомендуется устанавливать его значение в диапазоне 0,1-0,2, а для шумящих объектов 0,2 – 0,4.
Заметим, что при изменении периода опроса канала, в котором работает модальный регулятор, необходимо пропорционально изменить и нормированные значения постоянной времени и величины запаздывания на входе блока и перезапустить его.
Блок CALC, получая от модуля IDNT нормированные параметры передаточной функции объекта, автоматически рассчитывает оптимальные значения коэффициентов цифровых ПИ или ПИД- регулятора в форме, используемой в TRACE MODE (звено PID), выдавая коэффициенты KP, KI, KD для периода опроса канала, в котором работал блок IDNT. Это расширяет возможности использования обычного ПИД-регулятора. При другом периоде опроса в канале ПИД регулирования по отношению к периоду опроса, при котором работал блок IDNT необходимо пропорционально изменить и нормированные значения постоянной времени и величины запаздывания на входе блока CALC.
Модули включены в состав исполнительных модулей "ТРЕЙС МОУД" под названием Adaptive Control MPB и Adaptive Control Микро МРВ. Реализация этих алгоритмов возможна как на уровне операторских станций, так и на уровне PC-совместимых контроллеров.
В скором времени, на сайте фирмы AdAstra появится виртуальная лаборатория, посвященная изучению описанных выше новейших технологий управления в реальном времени.