CC BY
27
7. АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИ
7.1. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕАЛИЗОВАННОЙ НА ПРИНЦИПАХ СТРУКТУРНОЙ И ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ
Денисов Максим Сергеевич, заведующий лабораториями, аспирант, Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. E-mail: [email protected]
Аннотация: В работе представлено теоретическое обоснование возможности использования законов адаптивного управления гидропрессовым оборудованием. Предполагается за счет изменения давления в гидросистеме, изменять режимы работы гидравлического пресса на основе математической модели, с целью повышения качества выпускаемой продукции, сократить энергозатраты и повысить ресурс работы оборудования.
В качестве среды и языка программирования контроллеров была выбрана: среда разработки CoDeSeS с языком программирования C++ и MATLAB/simulink.
Ключевые слова: адаптивный регулятор, управление процессом, гидравлическое оборудование, автоматизация, программирование.
DEVELOPMENT OF THE SYSTEM OF REGULATION IMPLEMENTED ON THE PRINCIPLES OF STRUCTURAL AND PARAMETRIC ADAPTATION
Denisov Maxim Sergeevich, head of laboratory, post-graduate student, Vladimir state University. A. G. and N. G. Stoletovs. E-mail: [email protected]
Abstract: The paper presents a theoretical substantiation of the possibility of using laws the adaptive control of hydraulic equipment. Is expected due to the change of pressure in the hydraulic system, to change the modes of operation of the hydraulic press is based on a mathematical model with the aim of improving product quality, reduce energy consumption and increase the life of the equipment.
As an environment and programming language of the controller was chosen: development environment CoDeSeS with the programming language C++ and MATLAB/simulink.
Index terms: adaptive controller, process control, hydraulic equipment, automation, programming.
В современных условиях развития науки и техники, а также с учетом бурного социально-экономического роста возрастает актуальность создания адаптивных регуляторов, работающих на новых принципах получения и обработки информации. Это связано с тем, что процессы регулирования и регулируемые объекты непрерывно развиваются и совершенствуются, и как следствие, становятся более сложными, а время, отводимое на их проектирование и создание, сокращается [1, с. 86].
В представленной работе предлагается адаптивное регулирование давления рабочей жидкости на выходе из гидросистемы пресса для литья с кристаллизацией под давлением. Выбран блок системы адаптивного управления технологическим процессом литья с кристаллизацией под давлением, который предназначен для сбора, обработки и передачи информации с датчиков температуры, давления и линейного перемещения прессующих плунжеров. Поэтому, проектируемая система должна принимать информацию по аналоговым и цифровым портам, обеспечивать перевод информации в нормированные значения, сравнивать с эталонной
моделью и в случае рассогласования корректировать подачу рабочей жидкости в гидросистему.
Структурная схема системы автоматического управления с адаптивным регулятором представлена на рисунке 1.
Рис. 1 Система с адаптивным управлением
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕАЛИЗОВАННОЙ НА ПРИНЦИПАХ СТРУКТУРНОЙ И ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ
Денисов М. С.
В адаптивном ПИД-регуляторе для сравнения задания (SP) и значения переменной процесса (PV) определяется значение рассогласования (e) [2, с.156]:
e = SP - PV (1)
Общая теоретическая формула расчета управляющего значения по ПИД-закону, как известно, выглядит так [3, с. 562]:
u(t) = Kc (e+1j0edt + Td^), (2)
где Kc - коэффициент пропорциональности регулятора, Ti - время интегрирования в минутах, Td - время дифференцирования в минутах. Пропорциональная составляющая управляющего воздействия определяется регулятором как [4, с. 23]:
щ(1) = (3)
а дифференциальная составляющая равна [5, с. 234]:
uD(t)= KcTdg. (4)
Для синтеза системы регулирования с инструментами библиотеки ПИД-регулирования MATLAB, достаточно вставить виртуальный инструмент в окно редактора диаграмм и задать для него нужные входные и выходные переменные. Если связать входы и выходы регулятора с инструментальными платами, то результатом будет проектируемая система регулирования в режиме реального времени [6, с. 289].
Виртуальный инструмент библиотеки «ПИД-регу-лятор» имеет следующие входы: параметры ПИД, задание, ручное регулирование, переменная процесса. Вход в параметры ПИД-регулятора представляет собой кластер из трех значений: коэффициент пропорциональности, время интегрирования и дифференцирования. Кластер настройки служит для ввода дополнительных параметров. В настройках один параметр имеет логическое значение и определяет тип значения пропорциональности параметра: коэффициент пропорциональности (Kc) или диапазон дросселирования (PS). Связь этих коэффициентов определяется как Kc=100/PS. Если параметры оставить по умолчанию, то параметр принимает значение коэффициента пропорциональности [7, с. 365].
Для реализации адаптивного регулирования процесса подачи рабочей жидкости в гидроцилиндр предполагается использование программируемого логического контроллера ОВЕН ПЛК 100, в качестве среды и языка программирования контроллеров была выбрана: среда разработки CoDeSeS с языком программирования C++ и MATLAB/simulink.
Основными преимуществами контроллеров ОВЕН ПЛК 100 являются: открытая архитектура на основе ОС Linux, что облегчает их встраивание в вертикально интегрированные среды разработки; мощные аппаратные ресурсы: быстродействующий процессор и большой объем оперативной и энергонезависимой памяти; возмож-
ность программирования контроллеров в наиболее распространенной среде программирования - CoDeSys.
Сегодня CoDeSys (Controller Development System) - это самый распространенный в мире аппаратно независимый комплекс для прикладного программирования промышленных логических контроллеров. Основной компонент - это среда программирования на языках стандарта МЭК 61131-3. Программы компилируются в машинный код и загружаются в контроллер. Любая задача, решение которой является программа, реализуется в CoDeSys [8, c. 122].
Адаптивный регулятор отличается от традиционного, наличием дополнительных блоков идентификации и оптимального оценивания, в то время как традиционный, содержит только блок управления и измерительные устройства. Оптимальное управление возможно лишь при условии оптимальной обработки информации [9, с. 66]. Адаптивное регулирование позволяет автоматизировать процесс настройки контуров регулирования промышленного объекта управления с различными видами и величинами запаздывания, полностью. Адаптивные ПИД-регуляторы позволяют полностью отказаться от использования обычных методов идентификации динамики объекта и расчета оптимальных параметров настройки регуляторов. Такие возможности адаптивного регулирования дают возможность:
- сократить время настройки контуров регулирования;
- гарантировать наилучшее качество управления в любой момент времени;
- обеспечить непрерывный процесс подстройки параметров регулятора под изменяющиеся динамические свойства объекта управления;
- оптимизировать затраты сырья и энергоресурсов по сравнению с не оптимально настроенным классическим ПИД-регу-лятором на 5-10%.
Разработанный вариант системы управления с адаптивным ПИД-регулятором, реализующий принципы структурной и параметрической адаптации, относится к системе с дискретным временем. Свойства объекта управления остаются неизвестными, а математическая и компьютерная модели являются эталоном, на основе значений которых система принимает решения. Непрерывное время разбивается на циклы, а циклы на шаги. Рассогласование задающего воздействия и выходной величины управляемого объекта, в нашем случае, является входной величиной. При помощи алгоритмов оценивания на основе эталонной модели сигнал рассогласования обрабатывается и анализируется на каждом цикле. На участке идентификации по заданному показателю, измеряемому и вычисляемому в ходе технологического процесса управления, связанного с точностью и качеством регулирования, на каждом шаге или на протяжении ряда шагов, происходит автоматический выбор модели оцениваемого процесса. В течение одного шага положение исполнительного механизма остается неизменным. Самоорганизация системы адаптивного управления осуществляется при помощи принятых алгорит-
мов оценки состояния системы, которые являются взаимосвязанными; фильтрации информации на входе в систему, адаптации автоматически формируемой структурной и параметрической модели, и автоматически вычисляемых наиболее оптимальных управляющих воздействий. Оценка состояния и идентификация параметров технологического процесса и характеристик объекта управления реализуется с помощью экспериментальных данных. Алгоритмы оценивания и идентификации позволяют определять структуру эталонной модели объекта управления и воспроизводить параметры этой модели, т.е. реализовывать принципы структурной и параметрической адаптации.
Разработанная система автоматизированного управления, включающая блок анализа текущего состояния работы оборудования, блок имитационного моделирования работы гидравлического пресса, блок сравнения данных о текущем состоянии работы оборудования с имитационной моделью, блок принятия решения о работоспособности оборудования и блок управления технологическим процессом, позволяющий оптимизировать блоки управления и их взаимодействие, отличается от существующих аналогов учетом математических моделей работы гидравлического пресса. В соответствии с задачами управления подобрано оборудование, входящее в состав системы автоматизированного управления, которое включает в себя РС-контроллер, микроконтроллеры, частотные преобразователи, блоки реле, датчики линейного перемещения и давления.
Таким образом, для регулирования давления жидкости в гидросистеме пресса замена традиционных методов регулирования с постоянной настройкой на адаптивное регулирование на базе промышленных логических контроллеров приведет к ряду важных последствий, а именно:
1. построение алгоритма адаптивного управления, предусматривающего оперативную коррекцию подачи рабочей жидкости в гидроцилиндр с учетом анализа математической модели;
2. влияние факторов, связанных с изменением значения давления в гидросистеме, будет регулироваться автоматически до пределов отведенных управляющим воздействием;
3. алгоритмы оценивания и идентификации способствуют относительной простоте программного обеспечения регулятора, возможности его реализации на промышленных контроллерах.
Список литературы:
1. Шалыто А.А. Технология автоматного программирования / Труды первой Всероссийской научной конференции «Методы и средства обработки информации» М.: МГУ. 2003. http://is.ifmo.ru/works /tech_aut_prog/
2. Angeline P. J., Pollack J. Evolutionary Module Acquisition // Proceedings of the Second Annual Conference on Evolutionary Programming. 1993. http://www.demo.cs.brandeis.edu/papers/ep93.pdf
3. Jefferson D., Collins R., Cooper C., Dyer M., Flowers M., Korf R., Taylor C., Wang A. The Genesys System. 1992. www.cs.ucla.edu/~dyer /Papers/AlifeTracker/Alife91Jefferson.html
4. Chambers L. Practical Handbook of Genetic Algorithms. Complex Coding Systems. Volume III. CRC Press, 1999.
5. Гладков Л.А., Курейчик В.В., Курейчик В.М. Генетические алгоритмы. М.: Физматлит, 2006.
6. Koza J. R. Genetic programming: on the programming of computers by means of natural selection. MIT Press, 1992.
7. De Jong K. An analysis of the behavior of a class of genetic adaptive systems. PhD thesis. Univ. Michigan. Ann Arbor, 1975.
8. Хопкрофт Д., Мотвани Р., Ульман Д. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений. М.: Вильямс, 2002.
9. Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект: современный подход. М.: Вильямс, 2006.
РЕЦЕНЗИЯ
на статью М.С. Денисова «Разработка системы регулирования реализованной на принципах структурной и параметрической адаптации»
Использование адаптивных систем для управления технологическими процессами, с целью повышения физико-механических свойств выпускаемой продукции представляет значительный интерес, как с научно-технической, так и с практической точек зрения.
В освоенных в промышленности процессах литья, давление накладывается без учета тех сложных структурно-фазовых превращений, которые протекают в интервале температур перехода из жидкого состояния в твердое, поэтому эффект от использования данной технологии в том виде, которая сегодня существует, не всегда высокий.
Автору представленной на рецензию статьи удалось выполнить теоретическое обоснование того, что физико-механические свойства напрямую зависят от системы управления технологическим процессом. По представленным в статье доводам и выводам видно явное отличие предлагаемого подхода от существующих на сегодняшний день. Анализ и сравнение разрабатываемой системы адаптивного управления с аналогами дает информацию, которую необходимо учитывать в процессе проектирования технологии, при разработке систем автоматизированного управления наложением давления.
В заключение, необходимо отметить, что статья Денисова М.С. представляет значительный интерес для специалистов в области проектирования систем управления и металлообработки и может быть опубликована в открытой печати.
Научный руководитель д-р техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, зав каф. АТП ВлГУ
В.Ф. Коростелев
