CC BY
33Automation between the NSTU Bulgaria and the Czech technical universities.
http://www.jurnal.nips.ru/sites/default/files/APE-2-2012-13 0.pdf
[7] Zhmud V.A., Frantsuzova G.A., Dimitrov L.V., Nosek J. Experience in the Development of Partnership in the Training of Masters in the Mechatronics Program with the Use of Funds from Tempus and Erasmus Programs.
http://www.jurnal.nips.ru/sites/default/files/A%26SE-4-2017-14.pdf
[8] Approach to the garbage collection in the "Smart Clean City" project Andrei Borozdukhin; Olga Dolinina; Vitaly Pechenkin / 2016 4th IEEE International Colloquium on Information Science and Technology (CiSt), 2016 / Marocco. P. 918 -922.
[9] Borozdukhin A., Dolinina O., Pechenkin V. Method of Dynamic Rout Calculation in the "Smart City" Project. A. Borozdukhin, O. Dolinina, V. Pechenkin. Computer Technology and Application. Vol.7, Number 4, April 2016 (ser. Number 45), p.209-215.
[10] Erasmus+ KA107 Programme. https ://ifea. spbu.ru/en/erasmus-ka107-
pro gramme. html
Vadim Zhmud - Head of the Department of Automation in NSTU, Professor, Doctor of Technical Sciences.
E-mail: oao nips@bk.ru
630073, Novosibirsk, str. Prosp. K. Marksa, h. 20
Galina Frantsuzova, Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Automation, NSTU. The main direction of scientific research: the synthesis of systems of extreme regulation. E-mail: frants@ac.cs.nstu.ru Novosibirsk, prosp. Karl Marx, 20
Dr. of Techn. Sci. Jaroslav Nosek -
Professor of Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies in Technical University, Liberec, Czech Republic.
E-mail: jaro slav.no sek@tul. cz Studentska 1402/2, 461 17 Liberec, Czech Republic
Lubomir Dimitrov - Dr. of Techn. Sci., Professor.
Technical University of Sofia, Faculty of Mechanical Engineering, Bulgaria
Scientific Fields: Mechatronics, Adaptive and optimal control, Intelligent diagnostic and control systems, MEMS.
E-mail: lubomir dimitrov@tu-sofia.bg
Wolfram Hardt - Vice-Dean on International Affairs, Director of University Computer Center, Professor on Technical Informatics, Technical University of Chemnitz, Germany
E-mail: hardt@cs.tu-chemnitz.de
Olga Dolinina - Director of the Institute of Applied Information Technologies (InPIT), Saratov State Technical University named after Yu.A. Gagarin, Dr. of Techn. Sciences, Professor. E-mail: olga@sstu.ru 410054, Saratov,
Polytechnicheskaya str., 77
Uranchimeg Tudevdagva,
Professor of Mongolian University of Science and Technology, Guest professor Researcher of Chemnitz University of Technology, Honour Doctor of Novosibirsk State Technical University. E-mail: ranchimeg @must.edu.mn
The paper has been received on 22/02/2020.
mh
Синтез ПИД-регуляторов для объектов третьего порядка с запаздыванием: сравнение программ Altair Embed и
SimInTech
Н. А. Журавлёв1, А.И. Уберт2, В.Г. Шахтшнейдер2, О.П. Русаков2
1 Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия 2Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия
Аннотация. Статья ставила задачей сопоставление двух программных продуктов для автоматизированного проектирования регуляторов методом численной оптимизации, но по причинам, понятным из контекста статьи, сравнение корректно осуществить не получилось. Предполагалось, что сравнение осуществляется на примере двух типовых задач, а именно: задач проектирования регулятора для объекта третьего порядка с запаздыванием при условии наличия или отсутствия свободного члена в знаменателе передаточной функции. Такие объекты обладают принципиально различными откликами на ступенчатый скачок, поэтому все табличные методы дадут принципиально разные методы для задачи с ненулевым свободным членом, но они неприменимы к задаче с ненулевым свободным членом. Методы численной оптимизации обладают изначальным преимуществом перед табличными методами. В данной статье не осуществляется сравнения с программой MATLAB, поскольку ранее такие сравнения уже делались. Программный продукт SimInTech недавно анонсирован НГТУ представителями разработчика, он имеет множество изначальных преимуществ, таких как полная открытость кодов, что позволяет пользователю легко создавать новые и достаточно сложные модели объектов, также существенным преимуществом является наличие большого банка моделей объектов. Программные средства для оптимизации в этом программном продукте также имеются. В статье обсуждаются некоторые проблемы, которые сообщили представители компании, разработавшей и распространяющей второе из указанных программных обеспечений, высказывается предположение о причинах этих проблем.
Ключевые слова: Автоматика, кибернетика, регулятор, ПИД, контроллер, оптимизация, численное моделирование, численная оптимизация, VisSim, Altair Embed, SimInTech
Введение
Данная статья ставила целью сопоставление возможностей двух программных продуктов, каждый из которых, по-видимому, не столь широко известен, как MATLAB, но достаточно известен в кругах разработчиков регуляторов для сложных систем автоматического управления.
Программа VisSm достаточно хорошо знакома авторам [1-19], с программой SmInTech авторы знакомы недостаточно и поручили первое знакомство студентам в качестве «задачки со звездочкой».
1. Цель работы
Целью статьи ставилось сравнение возможностей двух программных продуктов. Это обеспечено на двух видах задач, причем каждая из задач задана с разными наборами параметров объекта. Это дает возможность для выводов при условии решения идентичных задач.
В качестве примера ставится задача оптимизировать параметры ПИД-регулятора в замкнутой схеме с обратной связью для двух следующих объектов, заданных их передаточными функциями:
240
s3 + 2.21s2 + 1s+1
(2)
0.367
s(s2 + 2.41s+1)
,-0.5s
(1)
По условиям этих задач требуется, используя указанные программные продукты, рассчитать ПИД-регуляторы для исходных значений моделей объекта, либо для неслиш, а также для видоизмененных значений, а именно: необходимо также оптимизировать регуляторы при последовательной смене параметров постоянной времени запаздывания и коэффициента при я2, а именно сначала т =
0.5 ->1.5 и потом t1 = 2.41 -> 0.241 для (1) и аналогично т = 0.3 -> 0.9 и t2 = 2.21 -> 0.221 для (2).
2. Проектирование с помощью
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Altair Embed (VisSim)
Для читателей, знакомых с программным обеспечением VisSim, установка этого программного обеспечения на новый компьютер может вызвать некоторое затруднение, поскольку это название уходит из обращения. Поисковая система не даст ссылок на официальный сайт поставщика, поскольку, как сообщает Википедия, этот программный продукт изменил провайдера и сменил название [1]. На интернет-странице этого источника в кратком описании объекта дана ссылка на новый официальный сайт поставщика (Рис. 1).
0.3s
e
Ссылка перенаправляет нас на новый сайт [2], на котором сказано: " VisSim is Now Altair Embed". С учетом этой информации не составляет труда скачать бесплатную версию "Altair Embed Based" и установить на рабочий компьютер. В среде Altair Embed спроектирована схема замкнутой системы с обратной связью и ПИД-регулятором (Рис. 2). При этом использованы методики, изложенные в серии публикаций на эту тему [319].
VisSim
2 1
О1,
'0 12
Семантика Модульность
Класс языка Визуальное
программирование
Появился в 1989
Автор Visual Solutions
Разработчик Visual Solutions. Inc.И
Выпуск 9 (2015l1l)
Испытал Си
влияние
Сайт vi ssi m.con/index, htm I ф
Рис. 1. Информационный блок на Википедии
Проект для численной оптимизации показан на Рис. 2. В этом проекте, как в традиционно в программе VisSm, имеются все необходимые блоки для решения задачи численной оптимизации.
Прежде всего, это формирователь изменяющегося задания, в данном случае -единичного ступенчатого воздействия. Также это устройства сравнения задания с выходом объекта. Также имеется модель регулятора, модель объекта и все необходимые связи для обеспечения замыкания системы.
Модель регулятора показана на Рис. 3. Для оптимизации параметров применен проект в соответствии с Рис. 4.
Рис. 2. Проект замкнутой системы с обратной связью и ПИД-регулятором в среде Altair Embed
Рис. 3. Схема ПИД-регулятора в среде Altair Embed
ID:0
> abs
0.1:1
5
derivative
0.32 -► parameterUnknown -► Р -► .32
ID:0
0.95 -► parameterUnknown-► i-► .95
ID:0
2 -► parameterUnknown -► rl -► 2.
► 1/S
► 100 —1
. IO: Q; ID: <D
t
cost
0:100
Рис. 4. Схема оптимизации параметров ПИД-регулятора в среде Altair Embed
3. Моделирование на Altair Embed
В указанном программном обеспечении проведена оптимизация параметров ПИД-регулятора с начальных значений (p,i,d) = (1,0,0). Параметры ПИД-регулятора для объекта (1) представлены в Таблице 1, а параметры ПИД-регулятора для объекта (2) представлены в Таблице 2.
Результаты моделирования системы с объектом (1) и полученными регуляторами показаны на Рис. 5. Результаты моделирования системы с объектом (2) и полученными регуляторами показаны на Рис. 6.
Можно заметить, что все графики на Рис. 5 вполне удовлетворительные.
Таблица 1.
Параметры регулятора для объекта (1), полученные
а б в
т 0,5 1,5 1,5
t1 2,41 2,41 0,241
p 0,9131 0,5645 0,4865
i 0 0 0
d 1,6523 1,0907 -0,328
Таблица 2.
Параметры регулятора для объекта (2), полученные
г д е
т 0,3 0,9 0,9
t1 2,21 2,21 0,221
Р -0,00046 0,000984 -0,00243
i 0,000764 0,002042 0,000345
d 0,002438 0,003954 -0,00312
Рис. 5. Сигнал после оптимизации: графики соответствуют Табл. 1 (красной и синей линиями показаны промежуточные результаты)
Все переходные процессы на Рис. 5 удовлетворительные, причем верхние два графика отличные, поскольку в них нет перерегулирования и статическая ошибка равна
нулю. На переходном процессе на нижнем графике перерегулирование составляет 5%, это для большинства практических задач приемлемо. Таким образом, задача
проектирования регулятора для объекта (1) даже со всеми модификациями его модели, существенно усложняющими её решение, решается вполне успешно при использовании обоснованной методики и целевых функций.
Переходные процессы на Рис. 6 не все удовлетворительные. Верхний процесс вполне удовлетворительный, перерегулирование не превышает 5%. Средний процесс на грани удовлетворительного, поскольку
перерегулирование составляет 20%. Нижний
процесс явно неудовлетворительный, поскольку имеет обратное перерегулирование, что является крайне нежелательным свойством системы. Формально система является устойчивой, поэтому с формальных позиций задача управления решена, однако качество управления чрезвычайно низкое. Тем не менее, можно сделать вывод, что данное программное обеспечение позволило успешно или относительно успешно решить задачу управления объекта (2).
г)
0 5 10 15 20 25 30
Time (sec)
Д)
0 5 10 15 20 25 30
Time (sec)
Рис. 6. Сигнал после оптимизации: графики соответствуют Табл. 2
4. Использование
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ SIMINTECH
Запросить демоверсию данного
программного обеспечения можно по ссылке [20]. Разработчики любезно предоставили некоторым сотрудникам НГТУ и студентам НГУ ссылки для скачивания. На базе БШЫТвск
спроектирована замкнутая система с обратной связью и с ПИД-регулятором (Рис. 7).
Оптимизация ПИД-регулятора не удалась. Эта попытка была предпринята студентами, детальный анализ их ошибок показал, что отрицательный результат получился вследствие невнимательности. Так, например, на Рис. 7 показан проект соответствующего графического задания для оптимизации регулятора. Видно, что
в проекте имеются ошибки, которые приводят к тому, что фактически в этом случае решается другая задача, другими математическими методами, поэтому и результат должен получиться иной. К сожалению, студенты этого не увидели.
Действительно, в структуре детектора роста ошибки, вычиляющего положительную часть
произведения ошибки на её производную, вместо нелинейного устройства, выделяющего только положительную часть этого произведения, стоит, к сожалению, нелинейный элемент типа «зона нечувствительности». Поэтому фактически вместо вычисления сигала детектора роста ошибки вычисляется другой сигнал.
Рис. 7. Замкнутая система с обратной связью и ПИД-регулятором по версии студентов
Также не понятно, почему при моделировании студенты использовали вычисление производной в том месте, где следовало вычислять интеграл. По указанной причине все результаты, полученные студентами при использовании структуры по Рис. 7 следует анулировать и признать ошибочными.
Приведенная илллюстрация демонстрирует, что программа SmInTech обладает всеми необходимыми инструментариями для численной оптимизации, как и программа VisSm.
При выступлениях о возможностях данной программы представитель кампании
рассказывал о том, что моделирование всей системы на единственном компьютере не даёт достаточно надежного результата, то есть результаты, которые получаются при моделировании, могут не совпасть с результатами, которые получаются в действительности. При этом он сообщил, что если объект и регулятор моделируются по-отдельности на двух различных компьютерах, то в этом случае результаты моделирования и результаты применения этого регулятора в реальной системе полностью совпадают. Во всяком случае, если авторы данной статьи верно поняли суть излагаемого эффекта, то он состоит в том, что только при использовании двух компьютеров с двумя независимыми моделями объекта и регулятора по-отдельности результаты получаются совпадающими с реальным использованием такого регулятора с реальным объектом.
Для этого феномена можно предположить две причины, одну из которых мы считаем наиболее важной, но о другой также считаем необходимым сообщить.
Во-первых, при моделировании на двух компьютерах наряду с использованием по-отдельности модели объекта и модели регулятора, имеется также необходимое использование двух каналов связи между компьютерами, которые, как минимум, вносят свою фиксированную задержку, которая возникает в компьютере, моделирующее объект, для восприятия сигнала управления и для передачи выходного сигнала объекта, а в компьютере, моделирующем регулятор, для восприятия выходного сигнала объекта и для передачи выходного сигнала регулятора. Эти две задержки в двух каналах передачи и приема изменяют фактически используемую модель в этой системе на величину двойного запаздывания в канале передачи. Таким образом, в фактически используемой системе в случае моделирования на двух компьютерах возникает дополнительное запаздывание. Если подобное запаздывание ввести в модель объекта, тогда при моделировании на одном компьютере, по нашему мнению, результат будет в точности таким, как при моделировании на двух компьютерах. Эта идея позволяет в будущем разработчикам, рассказавшим об этой проблеме, сэкономить оборудование для решения задачи моделирования приблизительно вдвое, поскольку и объект, и регулятор в этом случае
можно будет моделировать на единственном компьютере.
Во-вторых, необходимо отметить, что при моделировании на двух компьютерах, у каждого из этих компьютеров имеется свое собственное машинное время, которе не совпадает, тогда как при моделировании на единственном компьютере машинное время универсально для всей системы. Если, например, оптимизировать систему с шумами, то в случае моделирования на одном компьютере эти шумы будут полностью идентичны при каждой реализации, поэтому результат оптимизации может быть недостаточно надежным, так как он будет оптимальным лишь для данной реализации шума, который при моделировании чаще всего не в точности случайный, а псевдослучайный. Возможно, в указанной программе этого явления не возникает, либо оно не оказывает такого влияния, как явление, отмеченное первым пунктом.
Заключение
Смоделирована замкнутая система с обратной связью и ПИД-регулятором на базе программныого обеспечения Altair Embed; Оптимизированы параметры ПИД-регулятора и получены графики сигналов. Результат моделирования в программе SimInTech не обсуждается вследствие найденных ошибок, можно сделать вывод, что студенты с «задачей со звездочкой» не справились.
Имеются основания считать, что возможности программы SimInTech не хуже (по сообщениям от других исследователей).
При использвании любых программ оптимизации регуляторов, вне зависииости от метода оптимизации, можно, по-видимому, рекомендовать использование тех целевых функций и тех методом оптимизации, которые предложены в серии публикаций [3-19], в том числе идеи патента [18], состоящие в том, чтобы перед оптимизацией в объект вводить, как минимум, звено запаздывания, если его не имеется в исходной модели, предоставленной заказчиком для расчетов. При исходной модели вида (1) или (2) это не требуется, поскольку запаздывание в этих моделях уже имеется.
ЛИТЕРАТУРА
[1] https://ru.wikipedia.org/wiki/VisSim
[2] https://web. solidthinking.com/vissim-is-now-solidthinking-embed)
[3] Zhmud V., Prokhorenko E., Liapidevskiy A. The design of the feedback systems by means of the modeling and optimization in the program VisSim 5.0/6. В сборнике: proceedings of the IASTED international conference on modelling, identification and control 30th IASTED conference on modelling, identification, and control, ASIAMIC 2010. Сер. "Proceedings of the 30th IASTED conference on Modelling, Identification, And Control, Asiamic 2010" Phuket, 2010. С. 27-32.
[4] Жмудь В.А. Моделирование, исследование и оптимизация замкнутых систем. Монография / Новосибирский государственный технический университет. Новосибирск, 2012.
[5] Zhmud V.A., Zavorin A.N. Metodi di ottimizzazione del controllo numerico su una modelli troncati. Italian Science Review. 2014. № 4 (13). С. 686-689.
[6] Voevoda A.A., Zhmud V.A., Ishimtsev R.Y., Semibalamut V.M. The modeling tests of the new pidregulators structures. В сборнике: Proceedings of the IASTED International Conference on Applied Simulation and Modelling, ASM 2009 18th IASTED International Conference on Applied Simulation and Modelling, ASM 2009. Palma de Mallorca, 2009. С. 165-168.
[7] Воевода А.А., Жмудь В.А. Сходимость алгоритмов оптимизации регулятора для объекта с ограничителем и с запаздыванием. Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2007. № 4 (29). С. 179184.
[8] Zhmud V., Yadrishnikov O., Poloshchuk A., Zavorin A. Modern key techologies in automatics: structures and numerical optimization of regulators. В сборнике: Proceedings - 2012 7th International Forum on Strategic Technology, IFOST 2012 2012. С. 6357804.
[9] Васильев В.А., Воевода А.А., Жмудь В.А., Хассуонех В.А. Цифровые регуляторы: целевые функции настройки, выбор метода интегрирования, аппаратная реализация. Сборник научных трудов Новосибирского государственного технического университета. 2006. № 4 (46). С. 3-10.
[10] Жмудь В.А., Ядрышников О. Численная оптимизация пид-регуляторов с использованием детектора правильности движения в целевой функции. Автоматика и программная инженерия.
2013. № 1 (3). С. 24-29.
[11] Zhmud V., Dimitrov L., Yadrishnikov O. Calculation of regulators for the problems of mechatronics by means of the numerical optimization method. В сборнике: 2014 12th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering APEIE 2014 Proceedings.
2014. С. 739-744.
[12] Zhmud V., Vostrikov A., Semibalamut V. Feedback systems with pseudo local loops. В сборнике: Testing and Measurement: Techniques and Applications -Proceedings of the 2015 International Conference on Testing and Measurement: Techniques and Applications, TMTA 2015 2015. С. 411-417.
[13] Воевода А.А., Жмудь В.А. Астатическое управление объектами с нестационарными матричными передаточными функциями методом приближенного обращения функциональных комплексных матриц. Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2006. № 2 (23). С. 3-8.
[14] Zhmud V., Zavorin A. The design of the control system for object with delay and interval-given parameters. В сборнике: 2015 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2015 - Proceedings 2015. С. 7147060.
[15] Жмудь В.А., Заворин А.Н. Метод проектирования энергосберегающих регуляторов для сложных объектов с частично неизвестной моделью. В сборнике: Проблемы управления и моделирования в сложных системах Труды XVI
Международной конференции. Институт проблем управления сложными системами, Самарский научный центр Российской академии наук; под ред.: Е.А. Федосова, Н.А. Кузнецова, В.А. Виттиха. 2014. С. 557-567.
[16] Zhmud V.A., Goncharenko A.M. Modern problems of high-precision measurements of the phase differences.
В сборнике: Труды XIII Международной Научно-Технической Конференции Актуальные Проблемы Электронного Приборостроения. Proceedings: in 12 volumes. 2016. С. 314-318.
[17] Жмудь В.А., Французова Г.А., Востриков А.С. Динамика мехатронных систем. Учебное пособие / Новосибирск, 2014.
[18] Жмудь В.А., Заворин А.Н. Структура модели для оптимизации системы с обратной связью. Патент на изобретение RU 2554291 C1, 27.06.2015. Заявка № 2014112628/28 от 01.04.2014.
[19] Жмудь В.А., Заворин А.Н., Ядрышников О.Д. Неаналитические методы расчета ПИД-регуляторов. Учебное пособие / Новосибирск, 2013.
[20] http://simintech.ru/
Никита Алексеевич Журавлев
- студент НГУ. группа 16314 ФФ.
E-mail: rettyov@gmail. com
630090, г. Новосибирск,. ул. Пирогова, 1
Алексей Игоревич Уберт -
старший преподаватель кафедры автоматики НГТУ.
E-mail: ubert@corp.nstu.ru
630073, Новосибирск, просп. К.Маркса, д. 20
Владимир Генрихович
Шахтшнейдер - старший преподаватель кафедры Автоматики НГТУ.
E-mail: sch@ait.cs.nstu.ru
630073, Новосибирск, просп. К.Маркса, д. 20 Олег Петрович Русаков -
старший преподаватель кафедры Автоматики НГТУ.
E-mail: vipor@sintez.nstu.ru
630073, Новосибирск, просп. К.Маркса, д. 20 Статья получена 10.03.2020.
Design of PID-Regulators for Third-Order Objects with Delay: Comparison of Altair Embed and SimInTech Software
N. A. Zhuravlev1, A.I. Ubert2, V.G. Shachtshneider2, O.P. Rusakov2 1 Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia 2 Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia
Abstract. The article set out the task of comparing two software products for the automated design of controllers by the method of numerical optimization, but for reasons understandable from the context of the article, the comparison did not work out correctly. It was assumed that the comparison is carried out on the example of two typical problems, namely: problems of designing a controller for a third-order plant with delay, provided that there is or is not a free term in the denominator of the transfer function. Such objects have fundamentally different responses to a step jump; therefore, all tabular methods will give fundamentally different methods for a problem with a nonzero intercept, but they are not applicable to a problem with a nonzero intercept. Numerical optimization methods have an inherent advantage over tabular methods. This article does not make comparisons with MATLAB because such comparisons have been made before. The SimlnTech software product was recently announced by NSTU by representatives of the developer, it has many initial advantages, such as complete openness of the code, which allows the user to easily create new and fairly complex object models, and a large bank of object models is also a significant advantage. Optimization software is also available in this software product. This article discusses some of the problems reported by the company that developed and distributes the second of these software, and speculates about the causes of these problems.
Key words: Automation, cybernetics, controller, PID, controller, optimization, numerical simulation, numerical optimization, VisSim, Altair Embed, SimlnTech
References
[1] https://ru.wikipedia.org/wiki/VisSim
[2] https://web. solidthinking.com/vissim-is-now-solidthinking-embed)
[3] Zhmud V., Prokhorenko E., Liapidevskiy A. The design of the feedback systems by means of the modeling and optimization in the program VisSim 5.0/6. В сборнике: proceedings of the IASTED international conference on modelling, identification
and control 30th IASTED conference on modelling, identification, and control, ASIAMIC 2010. Сер. "Proceedings of the 30th IASTED conference on Modelling, Identification, And Control, Asiamic 2010" Phuket, 2010. С. 27-32.
[4] Zhmud V.A. Modeling, research and optimization of closed systems. Monograph / Novosibirsk State Technical University. Novosibirsk, 2012. (in Russian).
