CC BY
67
TYPES OF STEREO AND FLIP IMAGES S. Ya. Pasova, O. V. Kusovleva, S.A. Borodin
Different types of the lentikulyarny press, scope of a stereo and vario images in advertizing polygraphy, their demand in the market are considered.
Key words: stereo and vario images, a zoom, flip, morphing, animation, a pseudostereo, 3D - a stereo, 2D-3D the transformed stereo, the lentikulyarny press.
Pasova Svetlana Yakovlevna, student, _pasova94@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kuzovleva Olga Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
Borodin Sergey Alekseevich, student, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 681.513.3:004.451.64
СУПЕРВИЗОРНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
А. А. Говоров, В. А. Селищев, Ал. А. Говоров
Исследуется проблема повышения качества информационных систем управления с помощью предложенных алгоритмов супервизорногорегулирования, позволяющих одновременно оптимальным образом отрабатывать задающие и возмущающие воздействия на непрерывные технологические объекты. Предлагаются супервизорные ПИ-, ПИД-регуляторы, у которых в каналах задания для каждой составляющей закона управления установлены дополнительные динамические блоки. Эти регуляторы успешно используются в следящем электроприводе для регулирования угла поворота двигателя постоянного тока.
Ключевые слова: информационные системы управления, алгоритмы супервизорного регулирования, супервизорный регулятор, супервизорная система регулирования, качество регулирования, технологический объект управления, регулирование угла поворота двигателя постоянного тока, следящий электропривод.
Типовые ПИ-, ПИД-регуляторы не позволяют одновременно оптимальным образом отрабатывать задающие воздействия и компенсировать возмущения непрерывных технологических объектов управления. Для этого у регулятора должны быть различные динамические характеристики по каналам задания и регулируемого параметра. Такая проблема возникает в автоматических системах регулирования (АСР) в супервизорном режиме управления, а также в каскадных АСР, в АСР соотношения технологических параметров (следящие АСР) и в обычных АСР (в системах стабилизации) при частых изменениях задающего воздействия [1 - 4].
Относительно просто задачу одновременной отработки оптимальным образом задающего и возмущающего воздействий можно решить путем установки в каналах задания для каждой составляющей закона управления дополнительных динамических блоков Ку, К2, К3 с оптимальными параметрами при отработке задания (рис. 1). При этом параметры настройки исходного алгоритма (закона) управления выбираются с учетом оптимальной компенсации возмущающего воздействия в АСР [5].
Схема предложенного супервизорного регулятора, представленная на рис. 1, является более общей для типового ПИД-закона управления, чем представленные в [3, 4]. Особенностью схемы является обработка сигнала задания по трем составляющим ПИД-закона дополнительными как статическими, так и динамическими звеньями К у, К 2 и К3. Эта структура имеет несколько вариантов (в том числе известных) и наилучший может подбираться моделированием и (или) оптимизацией для выбранного объекта управления и внешних воздействий [5, 6].
Рис. 1. Схема супервизорного ПИД-регулятора
Рассмотрим схемо- и системотехнические принципы и способы построения супервизорных информационных систем и регуляторов для технологических объектов управления (ТОУ). Эти способы не зависят от технических методов реализации и осуществляются определенным воздействием на сигналы пропорциональной, интегральной и дифференциальной частей регулятора.
В общем случае необходимо корректировать все составляющие закона управления по трем каналам: заданию УЗд, измеряемому возмущающему воздействию / (при наличии датчика) и каналу дополнительной информации И о регулируемом параметре (также при наличии датчика). Выход И быстрее реагирует на возмущения /, чем основная регулируемая величина У. Использование этой дополнительной информации позволит значительно повысить качество регулирования параметра У на выходе ТОУ.
На рис. 2 показана схема супервизорного ПИД-регулятора с коррекцией по двум каналам: заданного значения Узд регулируемого параметра и измеряемого возмущения /[6]. В предлагаемом супервизорном регуляторе установлены дополнительные динамические звенья К] - К^ в каналах подачи сигналов коррекции по измеряемому возмущению для всех составляющих закона управления. В качестве примера АСР с измеряемым возмущением можно привести системы отопления, где регулируемым параметром является температура воды на входе в систему отопления или температура воздуха в отапливаемом помещении, а канал измеряемого возмущения подключается к датчику температуры наружного воздуха.
Предложены методы построения супервизорных регуляторов, основанные на применении в супервизорных частях различных звеньев: масштабирующих, интегро-дифференцирующих, дифференцирующих и их комбинаций - супервизорные регуляторы смешанного типа [7-9]. Изо-дромный супервизорный ПИД-регулятор с общим коэффициентом передачи К0 для всех трех составляющих закона регулирования: П, И, Д [7] решает задачу повышения качества регулирования технологических параметров путем реализации супервизорного режима и расширения функциональных возможностей при настройке регулятора. Регулятор способен отработать (одновременно) с высоким качеством и задающее, и возмущающее воздействия, а также повысить удобство настройки систем регулирования, так как возможна независимая настройка каждой составляющей закона регулирования и настройка общего коэффициента передачи регулятора, а значит, и коэффициента передачи всей системы регулирования [9].
Рис. 2. Схема двухканалъного супервизорного ПИД-регулятора
Основным методом решения задачи анализа и синтеза супервизорных АСР для объекта с запаздыванием предлагается имитационное моделирование на вычислительных машинах. Для поиска оптимальных пара-
66
метров супервизорных информационных систем управления и регуляторов рекомендуется последовательный симплексный метод с автоматическим выбором шага, позволяющий достаточно точно определить положение экстремума. В качестве критерия параметрической оптимизации выбирается один из показателей качества АСР [10].
Для исследования влияния изменений параметров супервизорных регуляторов на характеристики процессов управления разработаны методика и алгоритмы математического моделирования, которые позволяют оценивать влияние изменений параметров ТОУ на показатели качества системы и определить степень грубости систем с различными типами регуляторов по интегральным функциям чувствительности в виде статических зависимостей выбранного показателя качества регулирования от относительного изменения параметров объекта. Предложена методика исследования супервизорных АСР с использованием достаточно мощной по своим возможностям программы компьютерной математики у1б81ш.
Рассмотрим автоматическую систему АСР с ПИ-регулятором, которая является оптимальной при отработке возмущающего воздействия, но не оптимальной при отработке скачкообразного сигнала задания. Для установления этого простого факта достаточно определить оптимальные настройки ПИ-регулятора для компенсации: 1 - возмущения по заданию; 2 - возмущения по нагрузке. Оптимизация параметров регулятора проведена
по квадратичному критерию J2 = | х & ^ ш1п. Параметры модели объекта управления ТОУ 1-го порядка с запаздыванием: т = 0,25 ; к0 = 1; Тд= 1. Результаты оптимизации приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты оптимизации АСР с типовым ПИ-регулятором
Отработка воздействия Настройки П И-регулятора Код АСР
П-части КП И-части КИ
Задания КП1 = 3,375778 КИ1 = 2,15398 АСР-1
Возмущения по нагрузке КП2 = 4,91982 КИ2 = 5,87687 АСР-2
Предлагаемая общая схема супервизорного управления с ПИ-регулятором также имеет множество вариантов реализации. В данной работе предполагается провести исследование следующих систем: 1) АСР-1 с обычным ПИ-регулятором с оптимальными настройками для компенсации возмущения по заданию; 2) АСР-2 с обычным ПИ-регулятором с оп -тимальными настройками для компенсации возмущения по нагрузке; 3) АСР-3 с супервизорным ПИ-регулятором с оптимальными настройками для компенсации возмущения по нагрузке и с оптимальной настройкой
Куопт = 0.540608 супервизорной части в канале задания П-части; 4) АСР-4 более общего вида с таким же ПИ-регулятором и с оптимальными настройками сложной супервизорной части.
Отличие известной супервизорной системы АСР-3 от системы АСР-2 с обычным ПИ-регулятором заключается только в наличии у АСР-3 дополнительного пропорционального звена К1 в канале отработки задания для П-части. Разность сигналов на выходе звена К1 и в обратной связи АСР-3 подается на пропорциональную составляющую ПИ-регулятора. Су-первизорная часть регулятора (звенья К1 и К2) в общем случае может быть представлена динамическими звеньями (система АСР-4) с передаточными функциями
Ж1 = (К 1(1 + Т1р))/(1 + Т2Р), Ж1 = (К2(1 + Т3р))/(1 + Т4Р), (1) с оптимальными значениями параметров их настройки: К1опт = 0,20513, Т1опт = 0,58609, Т2 опт =0,0147; К2опт = 1, Тзопт = 0,9992, Т4опт = 0,39066 для заданного объекта ТОУ при отработке задания.
Для исследования АСР в соответствующем редакторе создается структура моделируемой системы, в которой устанавливаются необходимые значения параметров объекта управления и настроек ПИ-регулятора. Задаются приближенные границы изменения оптимизируемых параметров системы. Запускается режим оптимизации, по окончании которого определяются вычисленные оптимальные параметры настройки супервизорных частей регулятора в канале задания. При моделировании оптимальных АСР фиксируется значение интегрального квадратичного критерия качества J2, значение интегрального абсолютного критерия качества JJ, времени переходного процесса 1р и величины перерегулирования [10].
Графики переходных процессов в различных АСР при подаче скачка задающего воздействия, приведенные на рис. 3, показывают, что АСР-2, оптимальным образом компенсирующая возмущающее воздействие, не обеспечивает приемлемого качества регулирования при отработке задания. В частности, первый (хтах1) и второй (хтах2) выбросы ошибки регулирования е в АСР-2 почти в 4 раза больше, чем у исходной АСР-1, предназначенной для оптимальной отработки задающего воздействия, но плохо отрабатывающей возмущения по нагрузке.
Простейший супервизорный регулятор (АСР-3) существенно повышает качество переходного процесса по сравнению с АСР-2, но по большинству показателей качества (исключая незначительное уменьшение первого выброса хтах1) все же хуже исходной оптимальной (для сравнения) АСР-1. Более сложный супервизорный регулятор (АСР-4) обеспечивает наилучшие показатели качества отработки задания, кроме несущественного (= 3 %) увеличения 2-го выброса хтах1. При этом система АСР-4
оптимальным образом (так же, как и АСР-2 и АСР-3) компенсирует и возмущающее воздействие. Все сравниваемые системы АСР-2, АСР-3 и АСР-4 отрабатывают внешние возмущения одинаково, так как у них одинаковые параметры настройки ПИ-части. Система АСР-1 с обычным ПИ-регулятором с оптимальными настройками для компенсации возмущения по заданию используется как контрольная.
Предлагаемые супервизорные регуляторы по сравнению с обычными позволяют существенно повысить качество переходных процессов. Интересные выводы можно сделать, рассмотрев зависимости показателей качества простейшей супервизорной системы АСР-3 от параметра настройки масштабирующего усилителя К1 в канале задания для пропорциональной составляющей ПИ-регулятора [8].
В частности, оптимальные значения коэффициента К1 по различным критериям (здесь интегральные показатели качества JJ и J2) практически совпадают (ЛК2 @ 20 %). При отсутствии усилителя (К^ = 0) АСР-3 по критерию J1 является более качественной, чем обычная система АСР-2, которая представляет собой частный случай простой супервизорной АСР-3 при К1 = 1 , то есть на пропорциональную часть ПИ-регулятора сигнал задания можно не подавать. В этом случае большинство качественных показателей АСР будет лучше (за исключением значения ЛJ2 @11 %) и дополнительно упростится конструкция регулятора.
На интегральную часть регулятора сигнал задания необходимо подавать, конечно, полностью, что подтверждается и результатами оптимизации параметров звена Ж2 (К2опт = 1) в канале задания И-части в супервизорной АСР-4 общего вида. Точнее, на И-часть регулятора задание необходимо подавать без какого-либо масштабирования в статическом режиме. В противном случае появится статическая ошибка регулирования.
Аналогичные выводы (как у супервизорных ПИ-регуляторов) позволяет сделать анализ зависимости показателей качества простейшей су-первизорной системы АСР3 от параметра настройки масштабирующего усилителя К3 в канале задания для дифференциальной составляющей ПИД-регулятора. В частности, оптимальные значения коэффициента масштабирования К3 в канале задания (Кзопт.л = 0,352 ; Кзоит ^2 = 0,369) для Д-составляющей по различным критериям (здесь интегральные показатели качества Jl и J2) практически совпадают (ЛК3 @5 %). При отсутствии усилителя (К3 =0) АСР-3 по всем рассмотренным критериям является более качественной, чем обычная система АСР-1, то есть на дифференциальную и пропорциональную части ПИД-регулятора сигнал задания лучше не подавать. В этом случае качество АСР будет выше и дополнительно упростится конструкция регулятора.
-1.01-1-1-1-1-1-1-'■-'■-'■-'■-'■-'■-'■-'■-1-1-1-1-1-
О .2 .4 .6 .8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4
Рис. 3. Графики переходных процессов (ошибка регулирования) при отработке скачка задания в различных АСР с ПИ-регуляторами с оптимальными настройками для компенсации: 1 - возмущения по заданию (АСР-1); 2 - возмущения по нагрузке (АСР-2); 3 - возмущения по нагрузке и с оптимальной настройкой К1
супервизорной части в канале задания (АСР-3); 4 - возмущения по нагрузке и с оптимальными настройками звеньев Ж1, Ж2 супервизорной части (АСР-4)
Проведены исследования и сравнение супервизорных регуляторов между собой и с типовыми ПИ-регуляторами для электрического привода антенны радиолокационной станции (РЛС) на базе двигателя постоянного тока ДПТ типа ДПР-72 [8]. Характерными особенностями электропривода РЛС являются, во-первых, наличие понижающего редуктора с большим передаточным числом порядка ¡р @ 1000, а во-вторых, большие размеры и
масса вращающихся элементов конструкции антенны и ее привода и, как следствие, высокие моменты инерции. Значительные моменты инерции осложняют процессы регулирования электропривода в режимах поиска наблюдаемого объекта и его автосопровождения.
Блок управления электроприводами обеспечивает формирование управляющих сигналов для трех основных режимов работы силового привода РЛС: ручного наведения, поиска и автосопровождения объекта. Наиболее сложным и ответственным режимом работы привода является режим автосопровождения, когда формирование управляющих сигналов происходит при замыкании системы по положению через антенну и приемное устройство. Основная задача, стоящая перед системой управления следя-
щим приводом заключается в обеспечении необходимых точности и плавности слежения с тем, чтобы объект наблюдения не выходил за пределы ДНА в различных условиях эксплуатации. Эту задачу могут решить супер-визорные регуляторы [8].
По уже известной методике проведены исследования следующих систем управления следящим приводом: 1) АСР-1 с обычным ПИ- регулятором с оптимальными параметрами настройки для компенсации возмущения по заданию; 2) АСР-2 с обычным ПИ- регулятором с оптимальными настройками для компенсации возмущения по нагрузке; 3) АСР-3 с супер-визорным ПИ-регулятором с оптимальными настройками для компенсации возмущения по нагрузке и с оптимальным параметром настройки К1опт = 0.540608 супервизорной части в канале задания П-части; 4) АСР-4 более общего вида с таким же ПИ-регулятором и с оптимальными настройками сложной супервизорной части.
Эти исследования показывают, что обычная АСР-2, оптимальным образом компенсирующая возмущающее воздействие, не обеспечивает приемлемого качества регулирования при отработке задания. В частности, первый ( хтах1 ) и второй ( хтах2 ) выбросы ошибки регулирования е в АСР-2 почти в 8 раз больше, чем у исходной АСР-1, предназначенной для оптимальной отработки задающего воздействия, но плохо отрабатывающей возмущения по нагрузке (рис. 4).
Простейший супервизорный регулятор (АСР-3) существенно повышает качество переходного процесса по сравнению с АСР-2 с обычным ПИ- регулятором с оптимальными настройками для компенсации возмущения по нагрузке, но по большинству показателей качества (исключая незначительное уменьшение первого выброса хтах2 все же хуже исходной оптимальной (для сравнения) АСР-1. Более сложный супервизорный регулятор (АСР-4) обеспечивает наилучшие показатели качества отработки задания, кроме несущественного (@ 10 %) увеличения 2-го выброса хтах1. При этом система АСР-4 оптимальным образом (так же, как и АСР-2 и АСР-3) компенсирует и возмущающее воздействие.
Интересные выводы позволяет сделать анализ зависимости показателей качества простой супервизорной системы АСР-3 от параметра настройки масштабирующего усилителя К1 в канале задания для пропорциональной составляющей ПИ-регулятора. В частности, оптимальные значения коэффициента К1 по различным критериям (здесь интегральные показатели качества JJ и J2) практически совпадают (ЛК1 @ 25 %). При отсутствии усилителя (К1 = 0) АСР3 по критерию J^ обеспечивает почти такое же качество, как и обычная система АСР-2, которая представляет собой частный случай простой супервизорной АСР-3
при К] = 1, то есть на пропорциональную часть ПИ-регулятора сигнал задания можно не подавать. При этом большинство качественных показателей АСР будет почти таким же (за исключением значения АЗ2 = 30 %), но зато существенно упрощается конструкция регулятора.
ЯП)'-!-!-'-!-!-!-'-!-!-!-'-!-1-!-'-
О .05 .1 Л 2 :25; .3 .35 .4 .45 .5. ;.55. ,Б .65 .7 ..75
I;.е .1
Рис. 4. Графит переходных процессов (ошибка регулирования) при отработке скачка задания по углу поворота ДПТ в различных АСР с ПИ-регуляторами с оптимальными настройками для компенсации: о - возмущения по заданию;О- возмущения по нагрузке;
А - возмущения по нагрузке и с оптимальной настройкой К\ супервизорной части в канале задания; V- возмущения по нагрузке и с оптимальными настройками звеньев Ж], Ж2 супервизорной части
На интегральную часть регулятора сигнал задания необходимо подавать, конечно, полностью, что подтверждается и результатами оптимизации параметров звена IV2 ( К2от / ) в канале задания И-части в супервизорной АСР-4 общего вида. Точнее, на И-часть регулятора задание необходимо подавать без какого-либо масштабирования в статическом режиме. В противном случае появится статическая ошибка регулирования. Аналогичные результаты получены при исследовании супервизорных ПД-и ПИД-регуляторов для электрического привода антенны РЛС на базе двигателя постоянного тока ДПТ типа ДПР-72 [11].
Таким образом, главным отличием по структуре супервизорных регуляторов от обычных ПИ- и ПИД-регуляторов является наличие в каналах задания для отдельных (или всех) составляющих закона управления до-
полнительных блоков с различными передаточными функциями. Термин «супервизорный» подчеркивает назначение супервизорных регуляторов -для работы в супервизорном режиме, когда задание регулятору поступает с верхнего уровня управления и изменяется с течением времени. Задача су-первизорного регулятора при этом - оптимально и непрерывно отрабатывать как возмущения, так и задающее воздействие.
Вопросы разработки и исследования алгоритмов супервизорного управления весьма актуальны, поскольку применение алгоритмов такого типа позволяет существенно улучшить качество АСР при отработке возмущений по различным каналам и соответственно расширить функциональные возможности АСР. Применение подобных алгоритмов по сравнению с широко распространёнными в настоящее время лишь немногим дороже, так как их реализация современными микропроцессорными средствами весьма проста.
Список литературы
1. Бирман А.И. Пневматический супервизорный регулятор // Пнев-могидроавтоматика и пневмопривод: тез. докл. всесоюз. совещ. Ч. 1. М., 1990. С. 88.
2. Острём К., Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ. М.: Мир, 1987. 480 с.
3. Astrom K.J., Hagglund Т. Advanced PID control ISA (The Instrumentation, Systems and Automation Society). 2006. 460 p.
4. Денисенко В.В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации // Современные технологии автоматизации. 2006. № 4. С. 66-74; 2007. № 1. С. 78-88.
5. Патент РФ № 2157558. Супервизорный пропорционально- интегрально- дифференциальный регулятор/А.А Говоров, Е.В.Кузьмичев, С. А. Говоров. Опубл. 2000. Бюл. № 28. 6 с.
6. Патент РФ № 94004 на полезную модель. Супервизорный пропорционально- интегрально-дифференциальный регулятор/ А.А.Говоров, В.Н. Большов. Опубл. 10.05.2010. Бюл. № 13.
7. Патент РФ № 143857 на полезную модель. Супервизорный изо-дромный пропорционально-интегрально- дифференциальный регулятор/ М.В.Панарин, А. А. Говоров и др. Опубл. 10.08.2014. Бюл. № 22.
8. Алгоритмы супервизорного регулирования для электрических следящих приводов/ В.П.Мешалкин, А.Е.Мерцалов, А.А.Говоров, У.М. Сусак// Автоматизация и ИТ в энергетике. 2014. № 10. С. 22 - 26.
9. Алгоритмы супервизорного регулирования / А. А. Говоров, А.Е. Мерцалов, В.П. Мешалкин, У.М. Сусак // Автоматизация в промышленности. 2015. № 3. С. 50 - 55.
10. Анализ и оптимизация супервизорных автоматических систем с переменной структурой и защитой от насыщения для управления технологическими процессами / А.А.Говоров, В.П.Мешалкин, В.М.Аристов, У.М. Сусак // Цветные металлы. 2015. № 4. С. 73 - 78.
11. Сухинин Б.В., Говоров А. А. Супервизорные автоматические регуляторы для электрических следящих приводов// Вести высших учебных заведений Черноземья. №2. Липецк: ЛипГТУ, 2008. С. 51 - 56.
Говоров Андрей Александрович, канд. техн. наук, ассист., agovor49@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Селищев Валерий Анатольевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Говоров Александр Алексеевич, д-р техн. наук, проф., agovor49@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SUPERVISORY INFORMA TION SYSTEM CONTROL OF TECHNOLOGICAL OBJECTS
A.A. Govorov, V.A. Selishchev, A.A. Govorov
In this work the problem of improvement in quality of the information control systems for qualitative training not only master control, but also perturbation actions on continuous technological plants is researched. Supervisory PI - PID controllers at which in ports of the job for each component of the law of control additional dynamic blocks are fixed are proposed. These controllers are successfully used in the follower drive for control of an angle of rotation of the DC motor.
Key words: controller, supervisory controller, supervisory controller system, information control system, quality of control, technological Object of control, control of an angle of rotation of the DC motor, follower drive.
Govorov Andrey Alexandrovich, candidate of technical sciences, assistant, ago-vor49@tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Selishchev Valery Anatolievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Govorov Alexander Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, ago-vor49@tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
