CC BY
23
УДК 004.023
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ РЕГУЛЯТОРА СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
*
В. В. Устименко Научный руководитель - А. В. Чубарь
Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail zeya1998@mail.ru
Сопоставляются две методики синтеза управляющего устройства динамической системы с обратной связью, передаточная функция которой пятого порядка, на примере системы автоматического регулирования температуры в помещении.
Ключевые слова: синтез, ПИД-регулятор, нечеткая логика, SimInTech.
PARAMETRIC SYNTHESIS OF THE CONTROLLER OF THE SYSTEM
OF THE AUTOMATIC CONTROL SYSTEM
*
V. V. Ustimenko Scientific supervisor - A. V. Chubar
Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail zeya1998@mail.ru
In this article, the author compares two methods of synthesis of controller of the dynamic negative feedback system with order-five transmission function on the example of the automatic temperature control system on the premises.
Keywords: synthesis, PID-controller, fuzzy logic, SimInTech.
При исследовании системы автоматического управления одной из надлежащих задач является задача синтеза объекта, в ходе которой определяют структуру, параметры элементов, а также конструкцию объекта, если это касается технической системы. В данной работе решается задача параметрического синтеза пропорционально-интегрально-дифференцирующего управляющего устройства, заключающаяся в определении значений коэффициентов регулятора, при которых система будет устойчива, иметь необходимую точность воспроизведения задающего воздействия и качество переходного процесса.
В качестве среды разработки динамической модели системы используется среда визуального моделирования SimInTech, успешно используемая на ряде предприятий ракетно-космической техники. Данная система проектирования обладает рядом преимуществ, а также необходимыми элементами и модулями для решения поставленной задачи: база данных сигналов, функционал оптимизации параметров, а также библиотека «Нечеткая логика», применение элементов которой являлось ведущей в решении поставленной задачи.
В качестве объекта исследования в работе выступает динамическая система с обратной связью на примере системы автоматического регулирования температуры в помещении, передаточная функция которой пятого порядка [1]:
фу=-2-
9 16000 р5 +232840 p4 + 412182 p3 + 21029 p 2+50 p + 2
Секция «Автоматика и электроника»
В качестве управляющего устройства - ПИД-регулятор, настройка пропорционального Кп, интегрального Ки и дифференцирующего Кд параметров которого проводится двумя методами: эмпирическим методом Циглера-Никольса, и методом на основе нечеткой логики.
Применение метода Циглера-Никольса начинается с экспериментального исследования системы, состоящей из П-регулятора и заданного объекта регулирования [2]. Коэффициент передачи Кп пропорционального регулятора варьируется до тех пор, пока исследуемая система не окажется на границе устойчивости. Измеряется период Т* установившихся в системе колебаний, фиксируется значение коэффициента передачи регулятора Кп*. Значения параметров ПИД-регулятора рассчитываются по формулам, приведенным в таблице.
Расчет параметров ПИД-регулятора по методу Циглера-Никольса
Тип регулятора Кп Ки Кд
ПИД-регулятор 0,60КП* 1,2 Кп*/Т* 0,60КП*Т*
Рис. 1. Структурная схема САР с ПИД-регулятором, введенная в схемное окно БтЫТееН
При получении недостаточных результатов моделирования системы осуществляется автоматическая подстройка коэффициентов с помощью блока нечёткой логики: автоподстройка параметров ПИД-регулятора осуществляется через управляющую программу (супервизор). В основе принципа работы супервизора заложена нечёткая логика, поэтому в литературе его признано называть регулятором на базе нечёткой логики - РНЛ [3].
Входными переменными РНЛ является ошибка управления и скорость ее изменения. Основой РНЛ является блок с нечеткой логикой (БНЛ). Реализовано три БНЛ - для каждого из параметров ПИД-регулятора. Блок с нечёткой логикой для подстройки пропорционального коэффициента ПИД-регулятора (БНЛ1) представлен на рис. 2.
На вход БНЛ поступают ошибка управления и ее производная, лингвистические переменные которых имеют по пять термов с названиями: «ОБ» - отрицательная большая, «ОМ» - отрицательная малая, «Н» - нулевая, «ПМ» - положительная малая, «ПБ» -положительная большая. Происходит процесс фаззификации - получение логико-лингвистических значений входных переменных (на рис. 2 выделен красным цветом). На основе ранее сформулированной базы правил определяются нечеткие значение выходных переменных (на рис. 2 выделен синим цветом). Заключительный этап - дефаззификация -получение числовых значений выходных переменных (на рис. 2 выделен зеленым цветом).
Лингвистические значения нормализованных коэффициентов РНЛ-ПИД описаны с помощью семи термов с наименованиями: «Н» - нулевой, «М1» - малый 1, «М2» - малый 2, «С1» - средний 1, «С2»- средний 2, «Б1» - большой 1, «Б2» - большой 2. Приближенные диапазоны изменения параметры ПИД-регулятора были рассчитаны по методу Циглера-Никольса: Кп [0,0001; 3], Ки [0,0001; 0,009], Кд [0,0001; 200].
Рис. 2. Состав структуры БНЛ1
Рис. 3. Сравнение результатов моделирования системы:
1 - график переходного процесса (ПП) системы без регуляторов;
2 - график ПП с ПИД-регулятором; 3 - график ПП с РНЛ-ПИД
Из рис. 3 ввиду уменьшения перерегулирования и времени регулирования можно сделать вывод о повышения качества регулирования САР после внедрения регуляторов. Отметим, что метод Циглера-Никольса отличаются своей простотой и понятностью. В то время как реализация РНЛ требует более высокой подготовки и знаний таких областей, как, теория нечетких множеств. Однако ввиду реализации базы правил регулятора данный метод можно также назвать громоздким.
Библиографические ссылки
1. Среда динамического моделирования технических систем SimInTech / Б. А. Карташов, Е. А. Шабаев, О. С. Козлов и др. // Москва: ДМК Пресс, 2017. — 424 с.
2. О.С. Вадутов Настройка типовых регуляторов по методу Циглера-Никольса. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - 10 с.
3. Бураков, М. В. Нечеткие регуляторы: учебное пособие. СПб.: ГУА П, 2010. - 56 с.
© Устименко В. В., Чубарь А. В. 2020
