Тверской Ю.С. (ред.) Управление в технических системах

Подождите немного. Документ загружается.

Исходными данными для определения статической модели

объекта управления (в форме уравнения регрессии) служат

результаты наблюдений (в установившихся режимах) входных и

выходных координат (матрица наблюдений).

В качестве типовой задачи, решаемой с помощью

нелинейной статической модели объекта управления,

рассматривается задача определения оптимальных режимов

функционирования автоматизируемого технологического

оборудования (например, определения оптимального

распределения нагрузки для группы параллельно работающих

агрегатов). При этом решаемая задача сводится к поиску точки

оптимума для заданного критерия и ограничений (классическая

задача нелинейного программирования).

3.2.3. Параметрический синтез систем автоматического

управления (регулирования)

Для заданных структур автоматических систем

регулирования (АСР) задача определения оптимальных

параметров настройки решается с помощью следующих

методов:

- метода расширенных комплексных частотных

характеристик (РКЧХ);

- метода частотного показателя колебательности.

Для любого из применяемых методов исходными данными

для решения задачи параметрического синтеза АСР служат:

1) математическая модель ТОУ (как правило, задана в виде

системы нелинейных дифференциальных уравнений или

передаточных функций «вход – выход»;

2) законы управления (регулирования), реализуемые

управляющими устройствами (по алгоритмической

схеме);

3) ограничение в виде требования к затуханию собственных

переходных процессов системы (степень затухания ψ не

менее заданной);

4) критерий оптимальности (как правило, минимаксный

критерий – линейный интегральный или интегральный

квадратичный показатели).

Параметрический синтез одноконтурной АСР

рассматриваемыми методами реализуется с помощью

Поддерживается дисциплиной ГОС «Теория автоматического

управления».

программного комплекса ТЕМП. Методика расчета отработана в

курсовой работе по дисциплине «Теория автоматического

управления».

Методика расчета двухконтурных АСР сводится к

последовательному расчету двух одноконтурных систем.

Для двухконтурных АСР с дифференциатором

выполняются:

1-й шаг – расчет параметров регулятора «внутреннего»

контура по каналу малоинерционного сигнала;

2-й шаг – расчет «внешнего» (основного) контура по каналу

инерционного сигнала (параметров дифференциатора как

эквивалентного регулятора).

Для каскадных АСР с регуляторами стабилизирующим (РС)

и корректирующим (РК) выполняются::

1-й шаг – расчет параметров настройки регуляторов

«внутреннего» контура (РС);

2-й шаг – определение динамических характеристик

эквивалентного объекта;

3-й шаг – расчет параметров настройки корректирующего

регулятора (РК).

Синтез устройства компенсации внешних контролируемых

возмущений выполняется аналитически по условию

обеспечения инвариантности системы к данному возмущению.

3.2.4. Имитационное моделирование систем

автоматического управления (регулирования)

Имитационное моделирование проводится для получения

переходных процессов в исследуемых системах при отработке

ими характерных воздействий (как правило, ступенчатых) и для

последующей оценки соответствующих прямых показателей

качества автоматического управления.

Исходными данными для имитационного моделирования

служат:

- расчетные и структурные схемы моделируемых систем;

- математическая модель ТОУ в виде системы нелинейных

дифференциальных уравнений или передаточных функций по

отдельным каналам «вход–выход»;

Поддерживается дисциплинами ГОС «Теория автоматического

управления», «Моделирование систем», «Локальные СУ» и

соответствующими курсовыми проектами.

- модели элементов управляющих устройств или каналов

управления в целом.

При имитационном моделировании желательно в

максимально возможной степени учесть особенности реальных

систем управления (дискретно-импульсное преобразование

управляющего сигнала, ограничение по величине и скорости

изменения управляющих сигналов или по положению

регулирующего органа, нелинейность расходной характеристики

регулирующего органа и т.д.).

Выполнение этапа имитационного моделирования должно

осуществляться с помощью любых инструментальных средств

(например, системы МИК.АЛ, VISSIM), но при этом обязательно

должны быть указаны используемый в процедурах метод

численного интегрирования, шаг квантования по времени,

заданная точность интегрирования и др. Результаты

вычислительных экспериментов следует оформить

соответствующим протоколом, включающим описание методик и

результатов эксперимента.

3.2.5. Расчет и моделирование регулирующих органов АСР

На качество функционирования АСР существенное влияние

оказывают характеристики исполнительных устройств (ИУ).

Поэтому при исследовании АСР рекомендуется выполнить

расчет в целях обоснованного выбора ИУ и последующего учета

влияния характеристик ИУ на переходные процессы в замкнутой

системе регулирования.

Исполнительное устройство состоит из исполнительного

механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО).

Изменение расхода жидкого и газообразного веществ

осуществляется чаще всего двумя способами:

1) путем изменения сопротивления сети, по которой

протекает регулируемая среда, при постоянном располагаемом

напоре источника (этот способ называется дроссельным);

2) путем изменения располагаемого напора, развиваемого

источником при постоянном сопротивлении линии.

Основными типами дроссельных регулирующих органов,

используемых на ТЭС, являются поворотные заслонки;

регулирующие клапаны; шиберные клапаны; диафрагмовые

клапаны; краны.

Поддерживается дисциплиной «Регулирующие органы» учебного

плана специальности.

Расчет регулирующих органов проводится в целях

обеспечения требуемого диапазона регулирования;

обеспечения заданной расходной характеристики

регулирующего органа; обеспечения требуемого качества

переходного процесса в системах регулирования в составе

АСУТП.

Исходные данные включают в себя:

- описание технологических и конструктивных особенностей

объекта регулирования; характеристику режимов эксплуатации

объекта; характеристику действующих возмущений (внешние,

внутренние);

- статическую характеристику технологического участка

(объекта регулирования без регулирующего органа) в диапазоне

от минимального до максимального расхода среды;

- схему расчетного участка гидравлической системы в одном

из двух вариантов:

а) схема гидравлической системы с указанием конст-

руктивных размеров и типа местных сопротивлений;

б) схема гидравлической системы с указанием перепадов

на местных сопротивлениях при номинальном расходе;

- параметры регулируемой среды в гидравлической

системе: агрегатное состояние, расход (номинальный,

минимальный), давление, температура, плотность;

- анализ способов регулирования энергоносителя в

гидравлической системе; уточнение диапазона регулирования

для регулирующего органа;

- технологические требования к оптимальной форме

расходной характеристики, в том числе:

а) требования ПТЭ к крутизне расходной характеристики,

к начальному пропуску регулируемой среды и т.д.;

б) требования к оптимальной форме расходной

характеристики, обеспечивающей заданное качество

переходного процесса в АСР;

в) допустимое отклонение коэффициента усиления

регулирующего органа от расчетного коэффициента,

соответствующего заданной расчетной характеристике.

Расчет и выбор регулирующего органа

В рамках дипломного проектирования комплексный расчет и

выбор регулирующего органа целесообразно выполнить

согласно следующей методике.

1. Определение перепада давлений на регулирующем

органе при максимальном расходе среды.

2. Расчет максимальной пропускной способности

регулирующего органа.

3. Выбор типоразмера регулирующего органа.

4. Построение расходной характеристики и сравнение с

заданной РХ.

5. Коррекция расходной характеристики.

6. Проверка на кавитацию.

7. Разработка имитационной модели узла регулирования с

выбранным регулирующим органом.

Разработка имитационной модели исполнительных

устройств

Результаты расчета рекомендуется использовать для

обоснования выбора РО и построения имитационной модели

канала формирования управляющих воздействий (в составе

модели АСР в целом). Модель РО может быть также

определена путем предварительной оценки РХ по трендам

сигналов, регистрируемых на архивной станции ПТК АСУТП.

Для моделирования исполнительных устройств необходимо

определить практически значимые факторы, оказывающие

существенное влияние на качество работы АСР.

Наиболее значимыми можно считать следующие факторы:

- форму расходной характеристики РО – зависимость

расхода среды от степени открытия регулирующего органа;

- условную пропускную способность РО – номинальное

значение пропускной способности РО при максимальном (ус-

ловном) ходе затвора, м

/ч (условная пропускная способность

зависит от типа РО и размера его условного прохода);

- начальную пропускную способность РО (при ходе затвора

равном 0), которая характеризует протечки через затвор в

закрытом положении;

- степень открытия РО – отношение текущего хода затвора

к условному (максимальному) ходу затвора, %;

- люфт характеристики РО – разность значения расхода при

прямом и обратном ходе исполнительного механизма;

- время полного хода исполнительного механизма – время

перемещения исполнительного механизма из одного крайнего

положения в другое.

Имитационную модель исполнительного устройства

целесообразно реализовывать двумя соответствующими

макроблоками:

- макроблоком модели ИМ;

- макроблоком модели РО.

На выходе макроблока РО должен формироваться сигнал

по расходу технологической среды. При разработке

имитационной модели исполнительных устройств необходимо

учесть особенности выбранного на предыдущих этапах

регулирующего органа, его расходную характеристику, тип и

параметры исполнительного механизма и ряд других факторов.

Исследование работы АСР с имитационными моделями

исполнительных устройств

Разработанные модели исполнительных устройств

необходимо включить в модели АСР в среде имитационного

моделирования. После этого рекомендуется провести

исследование структурных схем моделей «идеальной» АСР (той

модели, где присутствует только модель «идеального»

регулятора), созданной в разделе имитационного

моделирования дипломного проекта, и АСР, содержащей

разработанную модель исполнительного устройства.

Для сравнения статических и динамических характеристик

модели «идеальной» АСР и модели АСР с реальными

исполнительными устройствами рекомендуется поставить

серию вычислительных экспериментов. При этом

целесообразно вести наблюдения за следующими параметрами

моделей АСР:

- сигналом на выходе регулятора;

- положением РО;

- расходом среды через РО;

- регулируемым параметром.

В заключение рекомендуется провести анализ работы

моделей АСР и сделать выводы о степени влияния различных

параметров исполнительных устройств на показатели качества

автоматического регулирования, а также дать рекомендации по

совершенствованию работы исполнительного устройства в

составе АСР.

3.2.6. Анализ результатов математического

моделирования (выводы и рекомендации)

В этом разделе необходимо подвести итоги проведенного

математического моделирования, сформулировать выводы по

всем поставленным целям и решаемым задачам, сопоставить

полученные результаты с общими требованиями к разраба-

тываемой АСУТП (в соответствии с техническим заданием),

дать заключение о работоспособности и эффективности

исследуемой системы управления.

В ходе анализа результатов следует опираться на

полученные при моделировании конкретные характеристики и

показатели (например, показатели качества автоматического

регулирования), а также проводить их сравнение с

требованиями к системе.

3.3. Проектная компоновка ПТК системы управления

По завершении алгоритмического синтеза на втором этапе

стадии функционального проектирования принимаются

общесистемные решения (определяется техническая структура

системы управления и осуществляется предварительная

проектная компоновка ПТК с распределением входных и

выходных сигналов по отдельным контроллерам).

Проектная компоновка ПТК выполняется в определенной

последовательности:

1) выполняется декомпозиция ТОУ на отдельные

функциональные зоны. По каждой функциональной зоне

определяются: состав и типы подключаемых к ПТК датчиков

контролируемых технологических параметров; состав

управляемых от ПТК исполнительных устройств и

соответствующих сигналов (выходных управляющих сигналов;

входных аналоговых и дискретных сигналов о состоянии

исполнительного устройства);

2) выполняется разработка заказной спецификации на

контроллеры управляющего комплекса ПТК. Для каждой

функциональной зоны ТОУ (группы контроллеров ПТК)

определяются типы и количество модулей УСО: АЦП

(унифицированные сигналы; сигналы от термопар; сигналы от

термосопротивлений); ДЦП; ЦДП; ЦИП; ЦАП;

3) определяется техническая структура АСУТП, в составе

которой выделяются следующие подсистемы:

Поддерживается дисциплинами «ЭВМ, ВС и сети»,

«Информационные сети и телекоммуникации», «Технические средства

автоматизации и управления», «Программно-технические комплексы»

учебного плана специальности.

- управляющий комплекс, состоящий из контроллеров,

ответственных за базовый уровень реализации

информационных и управляющих функций;

- информационно-вычислительный комплекс, состоящий из

рабочих станций, решающих задачи представления,

хранения технологической информации, дистанционного

дисплейного управления и др.;

- сетевой комплекс, состоящий из шлюзов, концентраторов,

коммутаторов и кабелей и обеспечивающий обмен

информации между компонентами системы.

При проектной компоновке ПТК для всех аппаратных

средств применяются соответствующие методики.

Разработка заказной спецификации на контроллеры

управляющего комплекса ПТК выполняется по следующей

методике:

1) определение базовых и проектно-компонуемых

комплектов контроллеров. Расчет состава аппаратных средств

контроллеров с учетом требований резервирования и

дальнейшего развития АСУТП (как правило, по числу входных и

выходных сигналов контроллеров предусматривается резерв

∼20%);

2) проектирование порядка размещения модулей в

каркасах контроллеров;

3) проектирование схем подключения внешних устройств

к контроллерам ПТК;

4) реализация схем питания и заземления контроллеров.

Выбор технических средств информационно-

вычислительного комплекса также выполняется по

соответствующей методике:

1) определение числа и типов компьютеров для

оперативного режима и средств САПР ПТК (инженерные

станции);

2) определение количества и типов мониторов, включая

настольные мониторы и экраны коллективного пользования;

3) определение необходимого количества и типов

периферийных устройств и резервных средств контроля и

управления.

Выбор технических средств сетевого комплекса включает в

себя:

1) определение логической структуры сетей верхнего

(уровня рабочих станций) и нижнего (контроллерного)

уровней ПТК с учетом основных информационных

потоков и требований резервирования;

2) определение физической структуры сетей верхнего и

нижнего уровней ПТК. Определение числа и типа

коммутаторов и шлюзов. Определение вида (витая пара

или оптоволокно) и длины всех кабельных соединений

сети;

3) оценку корректности работы спроектированной сети

верхнего уровня ПТК (например, для сети стандарта

Ethernet учет ограничений на максимальную длину

каждого физического сегмента, время двойного оборота

сигнала, сокращение межкадрового интервала).

Принятие решений по утверждению или изменению

физической структуры сети;

4) разработку заказной спецификации на сетевые средства.

Результаты компоновки целесообразно отобразить в виде

технической структуры ПТК (как проектно-компонуемого

изделия) и АСУТП в целом.

3.4. Разработка прикладного программного обеспечения

системы управления

3.4.1. Предварительные замечания

В отличие от «традиционных» СКУ функциональные задачи

АСУТП на базе ПТК реализуются преимущественно с помощью

прикладного программного обеспечения (ПО).

Разработка проекта прикладного ПО включает в себя ряд

этапов. Это следующие этапы:

− администрирование проекта и разработка базы данных

объектов;

− разработка прикладного ПО контроллеров

(алгоритмических схем решения основных функциональных

задач);

− разработка человеко-машинного интерфейса (видеограмм

операторских станций);

Поддерживается дисциплинами «Системное ПО», «Информационное

обеспечение СУ», «Программно-технические комплексы»,

«Автоматизированные информационно-управляющие системы»

учебного плана специальности.

− разработка расчетных (вычислительных) задач (например,

расчет ТЭП, диагностирование технологического оборудования

и др.).

Полный объем прикладного ПО необходимо разработать в

случае выполнения дипломной работы, нацеленной на создание

полигонной версии АСУТП, которая функционирует в режиме

реального времени совместно с моделью технологического

оборудования.

В основном объеме дипломного проектирования

обязательной составляющей должна быть разработка

прикладного ПО контроллеров, реализующего базовые функции

контроля и управления по исследуемой системе (подсистеме,

технологическому узлу).

3.4.2. Администрирование проекта прикладного ПО

и заполнение БД

Администрирование проекта прикладного ПО выполняется в

определенной последовательности:

1) разработать структуру проекта прикладного ПО АСУТП;

2) подготовить базу данных проекта, в частности выполнить

описание технологических участков ТОУ, функциональных зон и

др.;

3) определить состав пользователей системы и указать их

права доступа в АСУТП;

4) определить иерархию технических средств АСУТП:

контроллеры, системные модули, рабочие станции.

Далее необходимо заполнить базу данных объектов

(клапаны, регуляторы, задвижки, датчики, защиты, логические

объекты, механизмы и пр.), входящих в состав проекта по

АСУТП, распределить их по соответствующим узлам. Для всех

объектов нужно определить параметры, связанные с

оперативной работой. Например, для аналоговых датчиков к

таким параметрам относятся коэффициенты перевода из

инженерных (контроллерных) единиц измерения в физические

(экранные) величины, диапазоны и единицы измерения и др.

3.4.3. Разработка прикладного ПО контроллеров

Разработка прикладного ПО контроллеров проводится с

помощью графических систем программирования и сводится к

проектированию алгоритмических схем.

Прикладное ПО контроллеров управляющего комплекса

реализует базовый уровень всех функциональных задач АСУТП