Адаптивне керування інерційними квазістаціонарними об’єктами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Адаптивне керування інерційними квазістаціонарними об'єктами

Шпарук Б.О.

Поліщук І.А.

Постановка проблеми. В даний час у виробництві використовуються різні технологічні процеси, які характеризуються складністю і високими вимогами до точності автоматичного регулювання технологічних параметрів. Аналіз основних технологічних процесів сучасного виробництва виявив, що найпоширенішим регульованим параметром є температура. Поряд з великим поширенням теплових об'єктів в промисловості, даний клас об'єктів є одним з найскладніших в управлінні. Наприклад, внаслідок інерційності теплових об'єктів, при автоматичному регулюванні температури виникають затяжні перехідні процеси і великі амплітуди перерегулювання. Крім того, в процесі експлуатації параметри об'єкту управління змінюються, оскільки змінюється питома теплоємність стінки трубки теплообмінника. Основними зовнішніми збуреннями являється зміна температури теплоносія і навколишнього середовища.

Аналіз сучасних промислових регуляторів виявив, що в більшості виробничих випадків використовуються пропорційно-інтегрально-диференціальні (ПІД) регулятори [1, 2]. Основним недоліком таких регуляторів є необхідність налаштування ПІД-коефіцієнтів. Оскільки в реальних умовах вплив промислових перешкод негативно впливає на процес обрахування похідної, то як правило Д-складова ПІД-регулятора дорівнює 0, що відповідає ПІ-закону регулювання. Тому для досліджень будемо використовувати ПІ-регулятор. Сучасні промислові регулятори мають вбудовану функцію автоналаштування, яка автоматично визначає значення коефіцієнтів. Недоліком автоналаштування є велика тривалість процесу обчислень. Крім того, автоналаштування регулятора дозволяє забезпечити працездатність системи регулювання лише у вузькому діапазоні регулювання.

Застосування існуючих імпульсних регуляторів температури при управлінні інерційними тепловими об'єктами характеризується коливальними процесами з великими амплітудами перерегулювання.

Необхідну якість процесу автоматичного регулювання забезпечується, як правило, коректними налаштуваннями регулятора. Незважаючи на велику кількість промислових регуляторів, що реалізують автоматичне налаштування, залишається багато невирішених проблем, пов'язаних з якістю налаштування, зміною параметрів об'єкта управління та зовнішніх збурень в процесі ідентифікації.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. При дослідженні системи автоматичного регулювання температури води після водо-водяного теплообмінника були експериментально зняті розгінні характеристики.

Внутрішніми збуреннями об'єкта управління являються зміни: питомої теплоємності стінки трубки теплообмінника. Основними зовнішніми збуреннями являється зміна температури теплоносія і навколишнього середовища. Ці параметри входять в значення постійних часу Т2 і Т3 передаточної функції теплообмінника.

Рис. 1. Модель САР температури води на виході з водо-водяного теплообмінника

Для регулювання температури після водо-водяного теплообмінника застосовуються наступні схеми регулювання: одноконтурна, каскадна, з використанням демпфера. Проаналізуємо роботу кожної з них, при цьому застосуємо методику розширеної амплітудно-фазової характеристики (РАФХ), для розрахунку налаштувань ПІ-регулятора.

Використання одноконтурної схеми регулювання

Для одноконтурної схеми параметри ПІ-регулятора мають наступні значення:

Для аналізу роботи системи була створена модель САР температури води на виході з водо-водяного теплообмінника, складена в середовищі Matlab (Simulink) рис. 1.

Використання каскадної системи регулювання Передаточна функція випереджаючого контуру:

Використання проміжної ємності

Для підтримання температури в заданому ді-апазоні, для об'єктів даного типу можливий варі¬ант з використанням проміжної ємності, яка буде виступати в ролі демпфера для даного об'єкту.

Передаточна функція демпфера:

WQp) =500р + 1'

Рис. 2. Модель САР температури води на виході з водо-водяного теплообмінника з використанням каскадної схеми регулювання

Рис. 3. Модель САР температури води на виході з водо-водяного теплообмінника з використанням схеми регулювання з демпфером

На рис. 4 зображені криві перехідного проце¬су роботи установки в номінальному режимі.

Рис. 4. Перехідні характеристики об'єкта з використанням існуючих схем регулювання (1-одноконтурної, 2-каскадної, 3-схеми з використанням демпфера)

Розглянемо випадок, коли питома теплоємність стінки трубки теплообмінника зменшується на стільки, що значення постійної часу Т2 передаточної функції теплообмінника збільшується з 45 до 90 с, Ті збільшується з 0,27 до 20 с, Кі збільшується з 1,334 до 5.

Результати досліджень (див. рис. 5-7).

Зміна К:

Рис. 5. Перехідні характеристики об'єкта з використанням існуючих схем регулювання при зміні К1 (1-одноконтурної, 2-каскадної, 3-схеми з використанням демпфера)

Рис. 6. Перехідні характеристики об'єкта з використанням існуючих схем регулювання при зміні Т1 (1-одноконтурної, 2-каскадної, 3-схеми з використанням демпфера)

Рис. 7. Перехідні характеристики об'єкта з використанням існуючих схем регулювання при зміні Т2 (1-одноконтурної, 2-каскадної, 3-схеми з використанням демпфера)

Виділення невирішених раніше частин загальної проблеми. Аналіз перехідних процесів схем регулювання одноконтурної, каскадної та системи з використанням демпфера показав, що при зміні значення К1 Т1 Т2, якість САР виявилось незадовільним. А саме:

-- Одноконтурна схема регулювання: динамічна похибка Ддин = 4°С.

-- Каскадна схема регулювання: затяжний перехідний процес їрег > 500с.

-- Схема з використанням демпфера: затяжний перехідний процес tpez >1500с, а також складність конструкційної реалізації встановлення.

Мета статті. Головною метою цієї роботи є розробка нового адаптивного алгоритму регулювання, здатного без безпосередньої участі людини визначати параметри об'єкта, налаштовувати регулятор в процесі роботи і забезпечувати достатню швидкодію системи з високою точністю регулювання, що дозволить підвищити якість оброблюваних виробів. Дисертаційна робота, спрямована на вирішення зазначених проблем, актуальна в умовах сучасного виробництва. Після дослідження усіх технологічних процесів які відбуваються після водо-водяного теплообмінника, було поставлено задачу підтримки вихідної температури в інтервалі (70-80°С). Це обумовлене тим, що якщо температура буде більша за верхню межу, то виникає можливість гідравлічного удару в трубопроводі, що може призвести до аварійної ситуації. Якщо температура буде менша за нижню межу, то ускладнюється процес видалення газів у деаераторі.

Вирішення розглянутих проблем є актуальним в питанні енергозбереження та модернізації систем опалення та гарячого водопостачання.

Виклад основного матеріалу. Для покращення якості регулювання температури і зменшення негативного впливу неконтрольованих збурень і нестаціонарності об'єкта управління на процес регулювання запропоновано ввести в САР послідовно адаптивний псевдолінійний коригуючий пристрій з амплітудним подавленням [3, 4]. Даний адаптивний коригуючий пристрій збільшує запас стійкості по амплітуді при зміні параметрів об'єкта управління.

На рис. 8 представлена схема САР з адаптивним псевдолінійним коригуючим пристроєм з амплітудним подавленням (g -- заданий вплив системи регулювання; є, є1 -- вхідний і вихідний сигнали коригуючого пристрою; u -- управляючий вплив; у -- вихід об'єкта управління; КП -- псевдолінійний коригуючий пристрій з амплітудним подавленням; БН -- блок налаштування псевдо- лінійного коригуючого пристрої; БАЯ -- блок аналізу якості системи; ГПС -- генератор пробного сигналу; z -- вплив збурення; q -- параметр, що характеризує нестаціонарність об'єкта управління; T -- постійна часу об'єкта управління; I -- критерій якості системи; S1, S2 -- сигнал запуску (зупинки) генератора пробного сигналу).

Рис. 8. Схема системи автоматичного регулювання з адаптивним псевдолініиним коригуючим пристроєм з амплітудним подавленням

Рис. 9. Схема системи автоматичного регулювання з адаптивним псевдолінійним коригуючим пристроєм з амплітудним подавленням в середовищі Matlab (Simulink)

Рис. 10. Перехідна характеристика об'єкта з використанням коригуючого пристрою в номінальному режимі

Спосіб адаптації запропонованої САР характеризується тим, що в процесі роботи системи регулювання параметри ПІ-регулятора не змінюються і відповідають налаштуванню, попереднього запуску системи в роботу. Коректор змінює запас стійкості по амплітуді в залежності від зміни параметрів об'єкта. Ці зміни відбуваються тільки в тих випадках, коли якість регулювання САР стає незадовільною, а саме динамічне відхилення більше, ніж 20%. Це дозволяє забезпечити стійкість системи і підвищити якість управління.

Робота адаптивної САР здійснюється наступним чином [1]. При першому запуску системи в роботу в сталому режимі ГПС подає в САР прямокутний пробний імпульс, амплітуда якого дорівнює значенню сигналу завдання. Після подачі пробного імпульсу в блоці БАЯ визначається оцінка критерію якості системи за час тривалості пробного імпульсу. Критерієм якості системи є інтегральний критерій, який має вигляд:

де є -- помилка регулювання.

Обчислена оцінка критерію якості запам'ятовується в блоці БН в якості еталонної оцінки. Через певний проміжок часу ГПС знову подає в систему прямокутний пробний імпульс, потім БАЯ обчислює оцінку критерію якості САР за час, що дорівнює тривалості пробного імпульсу. Далі поточна оцінка критерію порівнюється з еталонною оцінкою, і по результату порівняння приймається рішення про необхідність підстроювання коригуючого пристрою. Якщо прийнято рішення про підстроювання коригуючого пристрою, то в блоці БН розраховується значення постійної часу T коригуючого пристрою, після чого значення даного параметра над-ходить в КП і запам'ятовується в ньому. Діапазон значень постійної часу КП визначається з урахуванням забезпечення стійкості системи та необхідної якості перехідних процесів при зміні параметрів об'єкта керування.

Розглянемо випадок, коли питома теплоємність стінки трубки теплообмінника зменшується на стільки, що значення постійної часу Т2 передаточної функції теплообмінника збільшується з 45 до 90 с, Tj збільшується з 0,27 до 20 с, К1 збільшується з 1,334 до 5.

Результати досліджень (див. рис. 11-13)

Зміна К:

Рис. 11. Перехідна характеристика об'єкта з використанням коригуючого пристрою при зміні К1

Зміна Т:

Рис. 12. Перехідні характеристики об'єкта з використанням коригуючого пристрою при зміні Т1

Рис. 13. Перехідні характеристики об'єкта з використанням коригуючого пристрою при зміні Т2

Застосування запропонованого коригуючого засобу дозволило реалізувати адаптивну систему регулювання температури об'єкта з нестаціонарними параметрами. Експериментальні дослідження показали ефективність запропонованої адаптивної системи регулювання при зміні параметрів об'єкта управління з плином часу і відповідність вимогам до перехідного процесу (динамічна похибка Ддин < 1,1°С, тривалість перехідного процесу значно менша в порівнянні з існуючими схемами регулювання Ьрег < 320 с). Коригуючий засіб можна додавати в діючі системи регулювання на базі мікропроцесорів без додаткових затрат на апаратну частину, що дозволить збільшити якість регулювання.

Список літератури

автоматичний теплообмінник водяний адаптивний

1. Солдатов В.В., Ухаров П.Е. Адаптивная настройка систем управления с ПИД регуляторами в условиях информационной неопределенности // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2004. - № 8. - С. 16-20.

2. Штейнберг Ш.Е., Залуцкий И.Е., Сережин Л.П., Варламов И.Г. Настройка и адаптация автоматических регуляторов. Инструментальный комплект программ // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2003. - № 10. - С. 43-47.

3. Скороспешкин М.В. Адаптивные псевдолинейные корректоры динамических характеристик систем автоматического регулирования // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. № 7. - С. 172-176.

4. Скороспешкин М.В., Цапко Г.П. Адаптивный корректор динамических характеристик систем автоматического регулирования // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Труды XII Междунар. научно-технич. конф. студентов и аспирантов. - Т. 1. - М.: МЭИ, 2006. - С. 498-499.

Размещено на Allbest.ru