CC BY
33
Восточно-Европейский журнал передовым технологий
H I-
-□ □-
Запропонована базова, системно-обгрунтована архтектура системи керу-вання технологiчними процесами пере-творення з порцшною подачею сировинних продуктiв без урахування зносу. На вiдмiну вй) «параметрично1» моделi, що вторично склалася, запропонована модель вгдображае взаемодю механiзмiв керованих систем та формування керування за результатами виз-начення облжових i технологiчних параметрiв об'ектiв виконавсько1 системи
Ключовi слова: система керування, закри-та система, нижнш iерархiчний рiвень,
взаемодiя систем
□-□
Предложена базовая, системно-обоснованная архитектура системы управления технологическими процессами преобразования с порционной подачей сырьевых продуктов без учета износа. В отличие от исторически сложившейся «параметрической» модели, предложенная модель отображает взаимодействие механизмов управляемых систем и формирования управления по результатам определения учетных и технологических параметров объектов исполнительной системы
Ключевые слова: система управления, закрытая система, нижний иерархический
уровень, взаимодействие систем
□-□
The base, system-reasonable control system architecture by engineering transformation processes with giving of raw products in portion form without deterioration is offered. Unlike historically developed "parametrical" model, the offered model displays interaction of operated systems mechanisms and formation of management by results of definition of registration and technological parameters of executive system objects
Key words: control system, the closed system, the bottom hierarchical level, interaction of systems
-□ □-
1. Актуальность
Решение задачи автоматизации процессов управления всегда должно опираться на требования, которые выдвигают разработчикам конечные пользователи систем автоматического управления (САУ). Одним из
УДК 65.011.56.:681.3
БАЗОВАЯ АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ С ПОРЦИОННОЙ ПОДАЧЕЙ СЫРЬЕВЫХ ПРОДУКТОВ БЕЗ УЧЕТА ИЗНОСА
И.А. Луценко
Доктор технических наук, доцент, заведующий
кафедрой* Контактный тел.: 067-720-61-15
А.Ю. Михайленко
Аспирант* Контактный тел.: 068-857-48-54 E-mail: Eleganteg@gmail.com
В.К. Тытюк
Кандидат технических наук* Контактный тел.: 067-563-56-64 E-mail: Dinalt2006@gmail.com
Ю.И. Гнатюк*
Контактный тел.: 067-319-82-59 *Кафедра электроснабжения и ресурсосбережения Криворожский технический университет ул. 22 Партсъезда, 11, г. Кривой Рог, 50027
таких обязательных требований является получение на выходе управляемой системы продукта, с заданными потребительскими характеристиками.
Несмотря на очевидную необходимость отображения этого аспекта задачи на модель САУ, структура модели управляемой системы нижнего уровня, с мо-
мента зарождения теории управления, практически не изменялась. Для построения модели САУ использовался и используется сегодня не «продуктовый», а «параметрический» подход: «С момента возникновения теории управления одной из основных задач, на решении которой формировались основные представления теории, была задача регулирования угловой скорости вращения вала паровой машины. Задача управления состояла в том, чтобы поддерживать на некотором постоянном уровне О0 угловую скорость О вращения вала. Если за выходную величину этого объекта управления принять отклонение ю = О-О0 от номинального (требуемого) значения О0 скорости вращения, то задача сводится к поддержанию режима ю = 0. И если паровая машина почему-то уклонилась от этого режима, она должна к нему возвратиться» [1, с. 283].
Однако целью управления не является стабилизация скорости. Этот параметр может потребовать стабилизации, если нестабильность мешает достижению требуемого качества выходного продукта или снижает эффективность процесса.
Например, быстрый (в предельном случае, прямой) пуск электропривода транспортного средства вызывает динамические удары, что в свою очередь снижает срок службы электромеханических элементов транспортного средства и ухудшает его тяговые характеристики. Ситуацию можно улучшить, сделав процесс пуска затяжным, за счет изменения режима пуска. Но, затяжной пуск увеличивает время технологической операции перемещения груза. Для того чтобы сделать динамические удары незначительными, а перерегулирование практически незаметным, разгонять транспортное средство необходимо очень медленно. В свою очередь, увеличение времени операции снижает производительность. Затягивание времени пуска неизбежно ведет к критическому значению ускорения, дальнейшее снижение которого, ведет к снижению эффективности процесса перемещения груза.
Поэтому, выбор режима разгона, равно как и усилия по точности поддержания закона регулирования, решаются исходя из общих соображений, которые учитывают время операции перемещения, объем и стоимость перевозимого груза, возможность получения выходного продукта требуемого качества, степень износа транспортного средства, стоимостное значение энергозатрат операции перемещения и т.д.
В конце прошлого столетия понимание задачи управления, по отношению к управляемым системам, не изменилось: «Управлять - значит так воздействовать на ограниченную систему изменением одного внешнего фактора (входного или задающего воздействия), чтобы выходная (управляемая) величина могла принять желаемое значение в силу присущих системе физических закономерностей, ее структуры и поведения во времени» [2, с. 6]. «На вход системы управления подается задающее воздействие х(^), определяющее желаемый характер управляемого процесса z(t), а в ряде случаев и на основании данных о возмущении «рассчитывает» управление и(^), с помощью которого воздействует на объект с целью поставить процесс z(t) в соответствие сигналу х(^) в рамках некоторого формального описания этого соответствия» [3, с.5] (рис. 1).
| по
УУ и(1) ОУ
Рис. 1. Система автоматического управления по источнику [3, с.5]:
УУ — устройство управления; ОУ — объект управления
Анализ последних работ направленный на решение задач автоматизации процессов управления показал, что ситуация на текущий момент времени не изменилась и «параметрический» подход при решении задач автоматизации процессов управления продолжает доминировать [4 - 6].
В то же время, решение задач оптимального управления требует построения базовой, системно-обоснованной модели, позволяющей естественным образом подойти к решению второй задачи конечного пользователя управляемых систем - максимизации прибыли открытой системы (предприятия) в состав которого входит исследуемая САУ.
2. Цель работы
Целью работы является разработка базовой «продуктовой» модели САУ технологическими процессами преобразования с порционной подачей сырьевых продуктов без учета износа технологического оборудования.
3. Основное содержание работы
Задача, которую должна решать САУ процессами преобразования на нижнем иерархическом уровне - это задача получения на выходе управляемой системы продукта, с заданными потребительскими характеристиками. В этой связи, обработка качественных параметров технологических механизмов конечно необходима, но этот аспект управления, решаемый подсистемами регулирования, должен находиться во взаимодействии с решением задачи обработки качественных параметров сырьевых продуктов.
В отличие от «параметрического» подхода, при котором входным продуктом технологического механизма преобразования считается сигнал управления, а выходными продуктами - параметры технологического механизма, для «продуктовой» модели все более естественно. На вход механизма преобразования подаются входные продукты (сырьевые и энергетические), на выходе - формируются выходные продукты [7].
В «продуктовой» модели нет объекта управления в том смысле, который несет в себе «параметрическая» модель. Сигналы управления «продуктовой» модели непосредственно не поступают на вход механизма преобразования. Их воздействие на вход технологического механизма отображается в виде установленных режимов подачи входных продуктов.
Определим систему условных обозначений.
Управляемые системы (УС) всегда находятся в состоянии взаимодействия. Определим УС на которую направлено наше внимание, как «исполнительную систему» (ИС). Управляемые системы, которые по-
дают на входы ИС входные продукты, определим как «системы подачи входных продуктов». Управляемые системы, которые получают выходной продукт ИС, определим как «системы потребления».
Закрытые УС обмениваются двумя видами объектов. Это сигналы управления и системные продукты. Относительно входов и выходов ИС сигналы управления разделим на входные сигналы задания ф и выходные сигналы задания (и). Соответственно, системные продукты разделим на входные продукты (г) и выходные продукты (р).
Технологическую часть УС будем обозначать окрашенным прямоугольником, а систему управления - не окрашенным прямоугольником (рис. 2). Как и в общепринятом случае, множество каналов отображается жирной линией со стрелкой, обозначение множества каналов в виде вектора, а множество УС в виде бока с контуром в виде жирной линии.
тура, давление, влажность, процентное содержание вещества и т.д.
Датчики учетных параметров будем обозначать зачерненным кружком внутри или на границе технологического механизма, или огибаемого каналом перемещения системного продукта. Сигнал отображающий технологический параметр на выходе датчика будем обозначать расширением символа с, путем добавления символа g. Так, cg это символы технологического параметра процесса преобразования.
Для того чтобы различать между собой сигналы механизмов УС, в обозначении будем указывать номер блока в квадратных скобках и номер входа/выхода блока через точку.
На рис. 3 приведена блок-схема ИС с учетом взаимодействия с СПОД и СПОТ, где используется система предложенных обозначений. Приведенная схема отображает структуру взаимодействия систем и механизмов для тех ИС, износом технологических механизмов которых в процессе оптимального управления можно пренебречь.
Исследования с разнообразными архитектурами построения системы управления процессами преоб-
Рис. 2. Схема взаимодействия управляемых систем
Продукты, которые находятся внутри механизма преобразования будем обозначать символом с.
Датчики УС отображают два вида параметров системных продуктов -учетные параметры и технологические.
К учетным параметрам будем относить категории, которые в процессе управления требуются для количественного учета: вес, квадратные метры, погонные метры, объем, штуки, паллеты и т.д.
Датчики учетных параметров будем обозначать овалом, охватывающим канал перемещения системного продукта. Сигнал учетного параметра на выходе датчика будем обозначать расширением символов, обозначающих входные и выходные продукты, путем добавления символа q. Так, щ и pq это символы ученых параметров входного и выходного продуктов.
К технологическим параметрам будем относить категории, знание параметров которых необходимо для контроля процесса преобразования: темпера-
Рис. 3. Базовая архитектура системы управления технологическими процессами с порционной подачей сырьевых продуктов без учета износа и пусковых потерь
Системы управления
разования показали, что состав системы управления такого класса УС должен включать в себя генераторы статических и потоковых сигналов, механизмы сравнения, механизмы регистрации завершения операций и механизм координации.
Приведем краткое описание разработанных механизмов необходимых для реализации базовой архитектуры (рис. 3).
1. Генератор статического сигнала mGstA (рис. 4). Генератор статического сигнала является простейшим механизмом управляемой системы. Величина выходного сигнала в текущий момент времени определяется значением установленного параметра механизма mGstA. Вид выходного сигнала определяется выражением и[^ = к.
и [ N ] =
0 при г[N].1 > г[N].2;
к при г[N].1 < г^].2.
Рис. 8. Условное обозначение механизма сравнения сигналов
О
г[Л'|.1
\
0.1 0.2 0.3 и[к | 0.4 0.5 Г,с
к
»
Рис. 4. Условное графическое обозначение генератора статического сигнала
Л
3^ /Т"> - 1
/ :
-.....//............;............ ; \
Рис. 5. Вид выходного сигнала mGstA при к = 5
2. Генератор потокового сигнала mGptA (рис. 6). Отличительной особенностью генератора потокового сигнала является зависимость величины выходного сигнала от величины интервала дискретизации. Вид выходного потокового сигнала определяется = к х dt.
тСр/А
V «от
Рис. 6. Условное графическое обозначение генератора потокового сигнала
Рис. 7. Вид выходного сигнала mGptA при к = 5
3. Механизм сравнения сигналов mCmpA (рис. 8). Механизм сравнения сигналов осуществляет формирование на выходе порта вывода сигнала, уровень которого принимает значения высокого и низкого уровня по результатам сравнения двух входных сигналов порта ввода данных. Временные диаграммы, поясняющие работу блока, приведены на рис. 9.
Рис. 9. Временные диаграммы сигналов тСтрА
4. Система отбора-выдачи sSpvA (рис. 10). Она обеспечивает выборку продукта технологического механизма и передача его системе потребления. Для данной модификации sSpvA, интенсивность выдачи равна интенсивности отбора и определяется сигналом задания.
Если интенсивность отбора-выдачи задана на уровне 5 единиц в секунду, а объем продукта связанного технологическим механизмом равен 2.5 единицам, сигналы управления и сигналы отображения учетных параметров могут иметь вид (рис. 11).
Поскольку sSpvA обеспечивает полную выборку готового продукта технологического механизма, сигнал задания просто определяет интенсивность выборки. В свою очередь интенсивность выдачи определяется интенсивностью выборки.
Рис. 10. Условное обозначение системы отбора-выдачи
д/,
ОН
0 1 0 гф 2 0 '](')= 3 0 '["](/) 4 0 5 1,с
о 1 0 м 2 0 3 0 4 0 5 1.С
0.1 0.2 0 3 0.4 0.5 /.I
Рис. 11. Временные диаграммы сигналов sSpvA
5. Механизм регистрации завершения операции mStoA (рис. 12). Данный механизм осуществляет вы-
дачу единичного сигнала по фронту (нарастанию) и срезу (спаду) входного сигнала.
Поскольку sSpvA обеспечивает полную выборку готового продукта технологического механизма, сигнал задания просто определяет интенсивность выборки. В свою очередь интенсивность выдачи определяется интенсивностью выборки:
г[Л]
ч[Щ.2
Рис. 12. Условное обозначение механизма регистрации завершения операции
Рис. 14. Условно-графическое обозначение механизма координации
После формирования этого сигнала механизм координации обеспечивает подачу энергетического продукта путем считывания задания интенсивности подачи энергетического продукта z[N].3 и формирования соответствующего выходного сигнала и[^.3. По завершению технологического процесса, на входе z[N].6 формируется импульсный сигнал единичного уровня.
Далее, происходит считывание задания интенсивности z[N].4 выдачи продукта преобразования (сигнал z[N].7) и по результатам считывания формируется выходной сигнал и[^.4. а этом заканчивается цикл операций тК^А. Необходимо отметить, что установка нулевого уровня сигнала z[N].8, во время выполнения цикла операций, не прерывает этот цикл.
На рис. 15 изображена принципиальная схема соединений систем и механизмов с учетом принятых обозначений.
Предлагаемая структура прошла тестирование в среде ASPC-lab [8] на примере технологического процесса нагрева [9].
Рис. 13. Вид выходного сигнала т^оА
Ги[К].1(1;) = 1 если = 0лгВД^) > 0;
|и[К].2(1;) = 1 если ^М^)>0л= 0.
где z[N]M(t) - значение входного сигнала на предыдущем шаге дискретного временного ряда.
6. Механизм координации тКЫА (рис. 14).
Его задача состоит в обеспечении согласованной во времени работы систем и механизмов управления, непосредственно связанных с технологическим механизмом.
Механизм координации (рис. 15) начинает функционировать с момента подачи единичного уровня сигнала z[N].8. В этот момент считывается задание объема подачи продукта преобразования на входе z[N].1, задание интенсивности подачи продукта преобразования z[N].2 и результат считывания передается на соответствующие выходы и[^.1 и и[^.2.
После завершения подачи продукта преобразования, на входе z[N].5 формируется единичный импульсный сигнал высокого уровня.
Выводы
Предложена структура системно-обоснованной «продуктовой» модели управляемой системы преобразования продуктов.
Рис. 15. Принципиальная схема соединений систем и механизмов базовой архитектуры системы управления технологическими процессами с порционной подачей сырьевых продуктов без учета износа и пусковых потерь
В отличие от исторически сложившейся «параметрической» модели, предложенная модель отображает взаимодействие механизмов управляемых систем и формирования управления по результатам определения учетных и технологических параметров объектов исполнительной системы.
Установлено, что в состав дискретной модели ИС преобразования с порционной подачей сырьевых продуктов, износом технологических механизмов которой можно пренебречь, входят: технологический механизм преобразования продуктов; система подачи - выдачи выходных продуктов; датчики технологических и учетных параметров ИС; генераторы статических и потоковых сигналов; механизм координации; механизмы сравнения; механизмы регистрации завершения операции перемещения продукта.
Литература
1. Неймарк Ю.И., Коган Н.Я., Савельев В.П. Динамические модели теории управления. - М.: Наука, 1985. - 400с.
2. Фрер Ф., Орттенбургер Ф. Введение в электронную технику регулирования. - М.: Энергия, 1973. - 192с.
3. Чураков Е.П. Оптимальные и адаптивные системы. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 256с.
4. Горелик О.Х. Удосконалення систем автоматизованого управлшня енергоблогав атомних i теплових електро-
станцш для тдвищення ¡х експлуатацшно! надшностг Автореф. дис. док-ра техн. наук. 05.13.07 / Нацюнальний техшчний ушверситет «Харгавський полiтехнiчний ш-ститут». - Харкiв, 2007. - 36с.
5. Бабенко Т.В. Методи i моделi штучного iнтелекту в АСУТП керашчного виробництва: Автореф. дис. док-ра техн. наук. 05.13.07 / Нацюнальний прничий ушверситет. - Дншропетровськ, 2008. - 34с.
6. Неежмаков С.В. Система автоматичного управлшня котлоагрегатом низькотемпературного киплячого шару автономного пов^ря пщ^вача: Автореф. дис. к-та техн. наук. 05.13.07 / Донецький нацюнальний техшчний ушверситет. - Донецьк, 2009. - 24с.
7. Луценко И.А. Архитектура построения оптимальных систем управления // Вюник Криворiзького техшчного ушверситету. - 2008. - Вип. 20. - С. 133-136.
8. Тытюк В.К., Луценко И.А. Среда разработки и исследования систем автоматического управления технологическими процессами ASPC-Lab // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2009. - №4/2(40). - С. 37-41.
9. Оптимальная система управления технологическими процессами с порционной подачей сырьевых продуктов «ОСАУ-ПП1» / А.Ю. Михайленко, И.А. Луценко, В.К. Тытюк [и др.] // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2009. - №4/8(40). - С.4-10.
У cmammi викладаеться eapiaum побудо-ви адаптивноi системи керування на ocHoei аналiзу початковоп дЫянки переходного про-цесу та використанш моделi об'екту у скла-di регулюючого пристрою, наведен резуль-тати математичних дослиджень
Ключовi слова: адаптация, внутршня
модель, оптимiзацiя
□-□
В статье излагается вариант построения системы управления на основе анализа начального участка переходного процесса и использовании модели объекта в составе регулирующего устройства, приведены результаты математических исследований Ключевые слова: адаптация, внутренняя
модель, оптимизация
□-□
This article represents variant of creating of control system based on analysis of transient beginning part and using process model in control device, describes results of mathematical research Key words: adaptation, internal model, optimization
УДК 621.311:681.5
АДАПТИВНА СИСТЕМА КЕРУВАННЯ З ВНУТР1ШНЬОЮ МОДЕЛЛЮ
О.В. Степанець
Астрант*
Контактний тел.: 066-375-19-82 E-mail: aard@bk.ru
А.П. Мовчан
Доцент*
*Кафедра автоматизаци теплоенергетичних процеав НТУ «КиТвський пол^ехшчний шститут»
м. КиТв
Контактний тел.: (044) 241-75-85 E-mail: anatolymovchan@atep.ntu-kpi.kiev.ua
1. Вступ
Теплоенергетичш об'еки керування вщносяться до класу квазштащонарних, так як з плином часу змь
нюють сво1 характеристики. Причиною цьому е змша режимiв роботи обладнання, що впливае на переб^ процеав тепломасообмшу, старшня агрегапв, нель ншт характеристики окремих елеменив системи на
