Способ автоматической оптимальной импульсной настройки системы управления

Изобретение относится к системам автоматического управления. Технический результат заключается в снижении уровня и уменьшении времени возмущения, вносимого пробным сигналом в процессе настройки системы автоматического управления, и увеличении помехозащищенности. Он достигается тем, что осуществляют перевод системы управления в разомкнутый режим, на вход объекта подают пробный импульсный сигнал, измеряют параметры переходного процесса, определяют по ним параметры принятой модели объекта управления, затем определяют по параметрам модели оптимальные параметры настройки регулятора и переводят систему с оптимальными параметрами настройки в рабочий режим. В качестве пробного сигнала используется импульсный сигнал с настраиваемыми амплитудой, полярностью и длительностью. Определяются характерные точки переходного процесса, вызванного пробным сигналом. Такими точками принимаются: максимальное значение А модуля разности выхода объекта и его начального значения, момент времени Тmax его достижения, момент времени Tbeg достижения модулем разности выхода объекта и его начального значения 5% уровня от его максимального значения А, а также момент времени Tend, в который значение модуля разности выхода объекта и его начального значения уменьшается до 70% уровня от его максимального значения. Параметры принятой модели объекта управления определяются по указанным характерным точкам с помощью вспомогательных функций. Оптимальная настройка регулятора производится по критерию максимальной степени устойчивости. 5 ил.

 

Изобретение относится к области автоматического управления и регулирования и может быть использовано в системах регулирования технологических параметров в металлургической, химической, энергетической, нефте- и газоперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности.

Известны способы настройки параметров регулятора с идентификатором, включающие идентификацию объекта управления путем подачи на объект возмущающих воздействий определенного вида, например ступенчатых, с фиксацией реакции объекта на эти возмущения, расчет оптимальных параметров настройки регулятора по полученной динамической модели объекта и сравнение найденных параметров с уже установленными ранее, причем, если сравниваемые параметры отличаются, то устанавливают вновь найденные параметры настройки и повторно проводят идентификацию объекта, а если нет, то процесс коррекции параметров прекращают и переводят систему в рабочий режим.

Недостатком известного метода является использование моделей с недостаточным числом параметров, которые не учитывают всех свойств объекта, что приводит к установке не соответствующих объекту настроек и, как следствие, плохому качеству управления.

Известны также способы самонастройки, основанные на классическом методе Циглера-Никольса [1] и его модификациях. Суть этих способов состоит в том, что замкнутая система вводится в колебательный режим, определяются значения критического коэффициента усиления Ккр и критического периода колебаний Ткр. Затем, в соответствии с [1], определяются оптимальные настройки для типовых линейных регуляторов, выраженные через Ккр и Ткр:

для П-регулятора

для ПИ-регулятора

для ПИД-регулятора

Способы определения Ккр и Ткр могут быть различными. В [1] Ккр определяется путем вывода системы на границу устойчивости при варьировании коэффициента усиления регулятора. В [2,3] система переводится в режим двухпозиционного регулирования, при котором в системе возникают автоколебания с параметрами, используемыми для настройки регулятора. В [4] на вход объекта подается пробный гармонический сигнал с изменяемой частотой колебаний. Частота колебаний выбирается так, чтобы обеспечить критическую частоту объекта, при которой фазовый сдвиг между входом и выходом равен 3,14 рад.

Недостатком этих способов самонастройки является длительность процесса идентификации, связанная со статистическим анализом нескольких периодов автоколебаний. Для повышения точности определения Ккр и Ткр может потребоваться несколько итераций, что также затягивает процесс самонастройки. Метод не подходит для объектов, динамические характеристики которых зависят от знака ошибки регулирования. К таким объектам относится, например, широкий класс тепловых объектов (печи, нагреватели, стерилизаторы и т.д.), для которых процессы нагрева и охлаждения могут иметь совершенно разные характеристики и требуют разных настроек регулятора для нагрева и охлаждения. В рассматриваемых методах параметры автоколебаний усредняются по положительным и отрицательным полуволнам и в результате определяются некоторые средние значения настроек, не соответствующие ни процессу нагрева, ни процессу охлаждения. Во всех рассматриваемых методах после определения двух параметров Ккр и Ткр используются формулы Циглера-Никольса для расчета настроек регулятора. Эти формулы носят эмпирический характер и рассчитаны на объекты с отношением τ/Т от 0 до 0,3, поэтому они не гарантируют качественное управление для объектов с большим запаздыванием. Кроме того, в случае ПИД-регулятора три настройки К, Ти, Тд определяются всего по двум параметрам Ккр и Ткр, что указывает на неадекватность полученных настроек реальному объекту управления. В [5] система управления переводится в разомкнутый режим, на вход объекта, описывающегося передаточной функцией:

Ко - коэффициент усиления объекта,

T1, Т2 - постоянные времени инерционных звеньев,

n - порядок инерционного звена,

τ - запаздывание,

подается пробное ступенчатое воздействие, измеряются параметры переходного процесса, по ним определяются параметры Ko, Т1, Т2, τ, n принятой модели объекта управления и, наконец, по параметрам принятой модели определяются оптимальные настройки регулятора.

Недостатком описанного способа является, во-первых, то, что из пяти параметров K o, Т1, Т2, τ, n принятой модели объекта по кривой переходного процесса определяется только часть этих параметров. Например, заранее принимается n=0 и определяются K o, τ, Т2 или принимается n=1, τ=0 и определяются Ко, Т1, Т2, или принимается n=1 и определяются K o, Т1, Т2 τ и т.д. Во-вторых, для принятой модели используются n небольшого порядка (n≤4), причем само значение n не определяется по кривой переходного процесса, а задается априорно. В-третьих, в качестве критерия оптимальности принимается минимум среднеквадратичной ошибки регулирования. Переходные процессы в системах, настроенных по этому критерию, имеют достаточно малую ошибку регулирования и приемлемое время переходного процесса. Однако сама система, настроенная по этому критерию, может находиться близко к границе устойчивости. Поэтому при ошибках идентификации параметров модели, неизбежно возникающих из-за шумов или изменения собственных параметров реального объекта управления в процессе его функционирования, найденные по этому критерию настройки регулятора могут не обеспечивать требуемое качество управления или даже выводить систему за границу устойчивости.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ оптимальной автоматической настройки системы управления [6]. Этот способ основан на переводе замкнутой системы управления в разомкнутый режим, подаче пробного сигнала на вход объекта, измерении параметров переходного процесса, определении по ним параметров K o, n, Т1 и Т2, принятой модели объекта управления:

,

где W(p) - передаточная функция объекта,

K o - коэффициент усиления объекта,

T1, Т2 - постоянные времени,

n - порядок,

определении по параметрам модели оптимальных параметров настройки регулятора и переводе системы с оптимальными параметрами настройки в рабочий режим, причем в качестве пробного сигнала используют ступенчатый сигнал с настраиваемой амплитудой и полярностью d, определяют характерные точки переходного процесса: максимальное значение А производной выхода объекта и момент времени Tmax его достижения, момент времени Tbeg достижения производной 5% уровня от максимального значения производной, а также момент времени Tend, в который значение производной выхода объекта уменьшается до 70% уровня от максимального значения производной, оценки K o*, n*, T1* и Т2* параметров K o, n, T1 и Т2 модели определяют по характерным точкам переходного процесса с помощью вспомогательных функций

,

где - целая часть числа ,

х=Tbeg/(Tmax-Tbeg),

,

где ,

где ,

параметры настройки регулятора определяют по критерию максимальной степени устойчивости. Недостатком этого способа является характер возмущения, вносимого пробным сигналом в работу регулируемого технологического процесса. Пробный сигнал изменяет значение управляющего воздействия на некоторую величину, которая тем больше, чем выше уровень шумов. В течение времени настройки системы значение регулируемой величины будет отклоняться от своего номинального значения. После окончания процесса настройки потребуется еще некоторое время, чтобы вернуть регулируемую величину к своему номинальному значению. Кроме того, в этом способе требуется определять производную регулируемой величины, которая в условиях помех вычисляется с большой погрешностью.

Целью изобретения является снижение уровня, и уменьшение времени возмущения, вносимого пробным сигналом в процессе настройки системы автоматического управления, и увеличение помехозащищенности.

Предлагаемый способ автоматической оптимальной импульсной настройки системы управления заключается в переводе замкнутой системы управления в разомкнутый режим, подаче пробного сигнала на вход объекта, измерении параметров переходного процесса, определении по ним параметров принятой модели объекта управления, определении по параметрам модели оптимальных параметров настройки регулятора и переводе системы с оптимальными параметрами настройки в рабочий режим. Причем в качестве пробного сигнала используется импульсный сигнал с настраиваемыми амплитудой, длительностью и полярностью (Δu, Δt). Модель объекта управления принимается в виде:

K o - коэффициент усиления объекта;

Т1, Т2 - постоянные времени инерционных звеньев;

n - порядок инерционного звена.

В качестве измеряемых параметров переходного процесса, вызванного пробным сигналом, используются максимальное значение модуля разности выхода объекта и его начального значения, момент времени его достижения, момент времени достижения модулем разности выхода объекта и его начального значения определенной доли от указанного максимума, а также момент времени, в который значение модуля разности выхода объекта и его начального значения уменьшается до определенной доли от максимума. Параметры модели K o, n, T1 и Т2 определяются по указанным параметрам переходного процесса с помощью вспомогательных функций F1, F2, F3, F4 описанных ниже. По параметрам модели K o, n, T1 и Т2 определяются настройки регулятора, оптимальные по критерию максимальной степени устойчивости.

На фиг.1 изображена принципиальная блок-схема, поясняющая предлагаемый способ автоматической оптимальной импульсной настройки системы управления; на фиг.2 изображен переходной процесс, вызванный пробным импульсным сигналом и характерные точки, используемые для идентификации; на фиг.3 - семейство кривых переходных процессов в объектах (5) при различных значениях n; на фиг.4 - вспомогательная функция F1, служащая для определения n; на фиг.5 - процессы управления реальным тепловым объектом.

На фиг.1 обозначены следующие функциональные блоки:

1 - элемент сравнения сигналов;

2 - нормально замкнутый ключ R1;

3 - ПИ- или ПИД-регулятор;

4 - элемент суммирования сигналов;

5 - объект управления;

6 - блок формирования пробного сигнала и идентификации;

7 - блок вычисления оптимальных настроек;

8 - нормально открытый ключ R2.

Рассмотрим предлагаемый способ более подробно. Пусть начальное значение регулируемой величины равно x(0). Система управления в этом случае переводится в разомкнутый режим за счет размыкания ключа 2. При этом одновременно на вход объекта 5 подается пробный импульсный сигнал настраиваемой амплитуды, длительности и полярности (Δu, Δt), при этом ключ 8 замыкается на время Δt. Форма импульсного сигнала (значения (Δu и Δt) выбирается максимально близкой к δ - функции с учетом реальных возможностей механизмов и с учетом возможности распознать реакцию объекта на фоне шумов, что реализуется блоком 6 формирования пробного сигнала и идентификации параметров

Настраиваемая полярность пробного сигнала позволяет определить параметры объекта отдельно для изменения выхода в положительном и отрицательном направлениях, что позволит получить более адекватные настройки регулятора 3.

В прототипе на вход объекта подавался ступенчатый пробный сигнал, вызывающий ответную реакцию выхода объекта. Выходной сигнал дифференцировался, на полученной производной определялись характерные точки, по которым оценивались параметры модели (5). В предлагаемом способе на вход подается импульсный пробный сигнал, максимально близкий к δ-функции, характерные точки ищутся не на производной выходного сигнала, а непосредственно на выходном сигнале. С математической точки зрения подача на вход динамической системы скачка и дифференцирование выхода эквивалентно подаче на вход δ-функции без дифференцирования выхода. Поэтому в предлагаемом способе можно использовать те же вспомогательные функции, которые использовались в прототипе.

Модель (5) отличается от модели (4) отсутствием запаздывания, однако это практически не сужает область ее применения, так как, увеличивая степень n и подбирая соответствующее T1, можно достаточно хорошо аппроксимировать запаздывание.

Пробный импульсный сигнал (Δu, Δt) вызывает переходной процесс, завершающийся тем же значением регулируемой величины x(0), с которой он начинался. По сравнению с прототипом значительно сокращается время переходного процесса и, следовательно, время возмущенного состояния объекта управления. Значения модуля разности выхода объекта и его начального значения |x(t)-x(0)| запоминаются и анализируются. В рассматриваемом варианте реализации способа оптимальной автоматической импульсной настройки системы управления в качестве характерных информативных точек используются:

- момент достижения максимума модуля регулируемой величины Tmax,

- максимум модуля разности выхода объекта и его начального значения

А=|х(Tmax)-х(0)|

- момент Tbeg достижения модулем разности выхода объекта и его начального значения уровня 5% от А,

- момент Tend спада модуля разности выхода объекта и его начального значения до уровня 70% от А (фиг.2).

Выбор 5% и 70% уровней в качестве определенных долей от максимума модуля разности выхода объекта и его начального значения основан на результатах моделирования поведения объекта (5). При выборе таких значений уровней увеличивается точность определения параметров модели и повышается помехозащищенность.

На фиг.3 приведено семейство модулей импульсных переходных процессов, полученных в результате моделирования объекта (5) при различных n с нормированием по величине максимума модуля выхода при нулевом начальном значении.

Анализ этих кривых и соответствующих им характерных точек Tbeg и Ttax показывает, что величина Tbeg/(Tmax-Tbeg) не зависит от K o, слабо зависит от Ti и Т2 и может служить для оценки параметра n. Функциональная зависимость n от Tbeg/(Tmax-Tbeg), обозначенная F1, приведена на фиг.4.

Аналогично, величина Tbeg не зависит от K o, слабо зависит от Т2, но зависит от T1 и n. Поскольку оценка n уже получена, можно с помощью функциональной зависимости T1 от Tbeg и n, обозначенной F2, получить оценку T1.

Далее, величина (Tend-Tmax)/T1 находится в функциональной зависимости с Т2 и n. Поэтому, с помощью функциональной зависимости Т2 от (Tend-Tmax)/T1 и n, обозначенной F3, можно получить оценку Т2.

Наконец, с помощью F4 - функциональной зависимости Ко от n, T1, Т2 и значения площади пробного импульсного сигнала d=ΔuΔt, получаем оценку Кo.

Функциональные зависимости F1, F2, F3, F4 получены по результатам моделирования переходных процессов в объектах, описываемых моделью (5). Они позволяют по характерным информативным точкам последовательно находить оценки n*, T1*, Т2*, Ко параметров n, T1, Т2, Ко модели (5).

,

где - целая часть числа , х=Tbeg/(Tmax-Tbeg),

,

где ,

где

Полученные оценки параметров модели можно пересчитать в оптимальные по степени устойчивости настройки ПИ-, ПИД-регуляторов. В [6] изложена методика, следуя которой можно получить формулы оптимальных по степени устойчивости настроек различных регуляторов. Для модели (5) оптимальные настройки имеют следующий вид (для удобства записи в приведенных ниже формулах знак оценки - * отсутствует):

для ПИ-регулятора

K=-(-T1I+1)n-1((n+2)T1T2I2-((n+1)T1+2T2)I+1)Ko-1,

Ти=-(-T1I+1)-n(T2I2-KI)-1KKo,

I=-0.5(-b+(b2-4ac)0.5)a-1,

a=(n+1)(n+2)T12T2,

b=(n+1)(nT1+4T2)T1,

c=2(nT1+T2),

для ПИД-регулятора

K=Kp,

Ти=K/Ki,

Тд=Kd/K, где

Kd=-0.5(-T1I+1)n-2((n+1)(n+2)T12T2I2-(n+1)(nT1+4T2)T1I+2(nT1+T2))Ko-1,

Kp=-((-T1I+1)n-1((n+2)T1T2I2-((n+1)T1+2T2)I+1)-2KdKoI)Ko-1,

Ki=-((-T1I+1)n(T2I-1)IKo-1+KdI2-KpI),

I=0.5T1-1+0.25T2-1, при n=2

I=-0.5(-b+(b2-4ac)0.5)a-1, при n>2

a=n(n+1)(n+2)T13T2,

b=n(n+1)((n-1)T1+6T2)T12,

с=3n((n-1)T1+2T2)T1,

где К, Ти, Тд - параметры настройки ПИ-, ПИД-регулятора;

I - степень устойчивости замкнутой ПИ (ПИД)-системы управления;

Kd, Кр, Ki, a, b и с вспомогательные промежуточные параметры. В качестве критерия оптимальности используется критерий максимальной степени устойчивости. Оптимальные настройки К, Ти, Тд обеспечивают максимальное значение степени устойчивости:

,

где λi(К, Ти, Тд) - корни характеристического полинома замкнутой системы с объектом (5) и ПИД-регулятором.

Степень устойчивости - это расстояние от мнимой оси до крайнего правого корня характеристического полинома замкнутой системы управления [7]. Оптимальным настройкам соответствует максимальное значение этой величины. Система, настроенная по этому критерию, обладает свойством "робастности" или "грубости" к возможному изменению параметров объекта. При изменении параметров объекта или их неточном определении из-за неизбежных шумов, система управления не потеряет устойчивости, что чрезвычайно важно для всех промышленных систем или технологических процессов. В то же время, переходные процессы в системе управления определяются преимущественно правыми корнями характеристического полинома, которые, в силу критерия, максимально удалены от мнимой оси. Поэтому быстродействие таких систем и величина ошибки регулирования будут удовлетворять требованиям, предъявляемым к системам управления, и обеспечивать высокое качество управления.

После определения оптимальных настроек система переводится в рабочий режим: ключ R1 замыкается (фиг.1).

На фиг.5 приведен пример конкретной реализации заявляемого способа автоматической настройки системы управления тепловым объектом. Объект управления представляет собой электронагреватель, управляемый релейным элементом, на вход которого подается ШИМ-сигнал с ПИ (ПИД)-регулятора. В качестве датчика температуры используется термосопротивление. Алгоритм ПИ (ПИД)-регулятора, а также способ автоматической оптимальной настройки реализованы в виде программы для управляющей вычислительной машины.

В результате идентификации параметров модели объекта управления получены следующие значения:

Кo=49.3,

Т1,= 31.9 сек,

Т2=525 сек,

n=5,

которым соответствуют оптимальные настройки:

На фиг.5 X(t) - реакция выхода объекта на пробный сигнал в разомкнутой системе управления, XPi(t) и XPid(t) переходные процессы в замкнутой системе при изменении задания от 100°С до 110°С, в случаях, соответственно, ПИ- и ПИД-управления с настройками (7) и (8).

ЛИТЕРАТУРА

1. Ziegler J.G., Nichols N.B. Optimum Setting for Automatic Controllers, Trans. ASME, 64, 759, (1942).

2. Микропроцессорный контроллер Ремиконт-130, НИИТЕПЛОПРИБОР. - М., 1990.

3. Семенец В.П. Способ автоматической настройки системы регулирования. Патент РФ №2002289. Бюл. №39-40. 1993.

4. Мазуров В.М. Самонастраивающаяся система управления. Патент РФ №2068196. Бюл. №29. 1966.

5. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. - М., Энергия, 1973, с.344.

6. Шубладзе A.M., Гуляев С.В., Шубладзе А.А. Патент RU №2243584. Способ оптимальной автоматической настройки системы управления.

7. Шубладзе А.М. Методика расчета оптимальных по степени устойчивости ПИ-законов управления. 1 Автоматика и телемеханика. 1987, №4, с.16-25.

Способ оптимальной автоматической импульсной настройки системы управления, основанный на переводе замкнутой системы управления в разомкнутый режим, подаче пробного сигнала на вход объекта, определении характерных точек переходного процесса, оценки параметров Ко, n, T1 и T2 принятой модели объекта управления:
,
где W(p) - передаточная функция объекта;
Ко - коэффициент усиления объекта;
T1, T2 - постоянные времени;
n - порядок,
с помощью вспомогательных функций
n*=F1(Tbeg/(Tmax-Tbeg))
T1*=F2(Tbeg,n*)
T2*=F3((Tend-Tmax)/T1*,n*)
Ko*=AT2*F4(T1*,T2*,n*)/d
,
где - целая часть числа ,
x=Tbeg/(Tmax-Tbeg),

,
где ,

где ,
определении по параметрам модели настроек регулятора по критерию максимальной степени устойчивости и переводе системы с оптимальными параметрами настройки в рабочий режим, отличающийся тем, что в качестве пробного сигнала используют импульсный сигнал с настраиваемыми амплитудой, полярностью и длительностью (Δu, Δt), в качестве характерных точек переходного процесса принимаются максимальное значение А модуля разности выхода объекта и его начального значения, момент времени Tmax его достижения, момент времени Tbeg достижения модулем разности выхода объекта и его начального значения 5% уровня от максимального значения А, а также момент времени Tend, в который значение модуля разности выхода объекта и его начального значения уменьшается до 70% уровня от максимального значения А, причем величина d во вспомогательной функции для определения Ко* принимает значение площади пробного импульсного сигнала d=ΔuΔt.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области систем адаптивного управления с эталонной моделью. .

Изобретение относится к управлению технологическими процессорами. .

Изобретение относится к системам автоматического управления и может быть использовано в системах регулирования объектами, параметры которых - неизвестные постоянные и меняющиеся со временем величины.

Изобретение относится к многоцелевым обучаемым автоматизированным системам группового дистанционного управления потенциально опасными динамическими объектами (ПОДО), преимущественно беспилотными летательными аппаратами специального назначения.

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в силовых установках для управления механизмами с переменным подъемом, переменными фазами и в регуляторах соотношения воздух/топливо.

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании приводов манипуляционных роботов. .

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано в системах управления приводами робота. .

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания систем управления приводами робота. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в промышленных установках для обработки позиционными электроприводами с идеальными валопроводами заданных программ перемещения.

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания систем управления приводами робота

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в автоматических системах регулирования (АСР)

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в системах управления технологическими процессами в химической промышленности, теплотехнике

Изобретение относится к усовершенствованному способу регулирования процессом карбонилирования для получения уксусной кислоты, который включает в себя импульсное испарение выводимого из реактора потока для получения верхнего погона; дальнейшую очистку верхнего погона путем дистилляции с получением уксусной кислоты при нормальных рабочих условиях; текущего контроля скорости образования уксусной кислоты путем регулирования, по меньшей мере, одного независимого переменного технологического параметра; текущего контроля скорости образования уксусной кислоты путем регулирования, по меньшей мере, одного зависимого переменного параметра; снижение скорости образования уксусной кислоты в ответ на изменение состояния процесса или состояния технологического оборудования; управление процессом при уменьшенной скорости образования уксусной кислоты путем регулирования, по меньшей мере, одного из независимых и/или зависимых переменных параметров в то время как система технологического оборудования возвращается к исходному состоянию нормального рабочего процесса до упомянутого изменения; повышение скорости образования уксусной кислоты после упомянутого изменения режима до тех пор, пока система не возвратится в исходное состояние нормального рабочего процесса путем управления, по меньшей мере, одним из независимых и/или зависимых параметров, где нелинейное многовариантное регулирование основано на модели процесса

Изобретение относится к приборостроительной промышленности и может быть использовано в астатических системах автоматического управления летательными аппаратами в условиях знакопеременных воздействий и широком диапазоне применения по скорости и высоте полета

Изобретение относится к приборостроительной промышленности и может быть использовано в системах автоматического управления летательными аппаратами в условиях знакопеременных задающих воздействий

Изобретение относится к области управления экологической и промышленной безопасностью в аварийных ситуациях на предприятиях химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и газоперерабатывающей промышленности, сопровождающейся загрязнением почвы, водного и воздушного бассейнов вредными веществами

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в системах управления различными инерционными объектами, например, поворотными платформами, промышленными роботами, летательными аппаратами

Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть использовано при создании электроприводов роботов

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к многоканальным автоматизированным системам, предназначенным для контроля и диагностики сложных объектов
Наверх