Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования:
Политика государства Вьетнам, принятая на XII съезде коммунистической партии, заключается в содействии индустриализации и модернизации страны. Целью Вьетнама является стать с помощью модернизации к 2020 году промышленно развитой страной. Поэтому все шире используются на предприятиях и в организациях современные технологии, программные приложения и средства автоматизации. В том числе, во Вьетнаме заинтересованы в достижении высокой эффективности технологических процессов, что требует повышения качества управления и регулирования с целью снижения производственных затрат и повышения эффективности инвестиций. Для этого необходимо внедрять более совершенные алгоритмы управления в сочетании с методами оптимизации динамики автоматических систем регулирования (АСР) технологических процессов, своевременно обновлять информацию об объекте управления.
Цель диссертационной работы:
повышение качества работы АСР технологических процессов, в том числе, за счет развития и применения перспективных алгоритмов регулирования и методов расчета с использованием комплексного подхода, предусматривающего оснащение регулирующих контроллеров дополнительными алгоритмическими модулями, решающими актуальные задачи получения модели объекта управления, автоматической настройки регуляторов и оптимизации работы в режиме отработки задающего воздействия, а также за счет разработки рекомендаций по повышению точности работы алгоритмов для круга объектов управления с типовыми динамическими характеристиками.
Для достижения цели решается ряд задач:
- обзор применяемых алгоритмов регулирования и методов оптимизации динамики
АСР технологических процессов, выяснение перспективных решений и направлений
развития с целью применения в промышленных регулирующих контроллерах;
- анализ эффективности системы с ПИД-регулятором и предиктором Смита в
комплекте с алгоритмами автоматической настройки регуляторов (АНР) для объектов с
типовыми динамическими свойствами при возмущении по различным каналам; разработка
рекомендаций по области применения и оптимизации динамики системы при реализации
алгоритмов в регулирующих контроллерах;
- анализ эффективности метода настройки регуляторов, основанного на приближении
к субоптимальному регулятору, при использовании совместно с алгоритмом получения
модели объекта в действующей системе, с точки зрения применимости к объектам с
4 различными динамическими свойствами, разработка рекомендаций по повышению точности метода и его реализации в регулирующих контроллерах с учетом динамики объектов;
- разработка и анализ работоспособности системы гибридной структуры с алгоритмом
максимального быстродействия (АМБ), ПИД-регулятором и алгоритмом автоматической
настройки регуляторов для различных объектов; выяснение рациональных режимов и
области практического применения АМБ, формирование рекомендаций по применению
блока прогноза при работе с объектами с запаздыванием.
Научная новизна работы
на основании исследований, выполненных в системе с ПИД-регулятором, предиктором Смита и модулем АНР с реализацией на промышленном контроллере, выявлен круг объектов и условий, для которых применение системы с предиктором является эффективным; получены зависимости для корректировки параметров системы с ПИД-регулятором и предиктором Смита с учетом динамики объектов по данным работы модуля АНР с целью повышения качества регулирования;
на основании исследований метода настройки регуляторов, основанного на приближении к субоптимальному регулятору в частотной области (метода МНК-приближения), определены области его применения для объектов с типовыми динамическими свойствами; получены рабочие зависимости для однозначного определения параметров алгоритма МНК в регулирующем контроллере по данным оценки модели объекта при работе с ПИ и ПИД-регуляторами;
предложена структура гибридной системы для регулирующих контроллеров, в состав которой входят алгоритм максимального быстродействия (АМБ), ПИД-алгоритм и модуль АНР, определены условия перехода между алгоритмами АМБ и ПИД для различных объектов и случаев применения; определена область, когда применение АМБ является эффективным; показано, что АМБ целесообразно включать при существенном изменении задания и использовать его до первого переключения, чтобы исключить автоколебания в системе, а далее следует использовать алгоритм ПИД-регулирования.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
- для создания возможности применения предиктора Смита в системах автоматизации
технологических процессов необходимо, чтобы в программном обеспечении регулирующих
контроллеров содержался алгоритм (модуль) для оперативного определения параметров
модели объекта управления в действующей системе; примером являются алгоритмы АНР-1 и
АНР-2, использованные в работе;
- применение предиктора Смита в системе с ПИД-регулятором и модулем АНР
позволяет повысить качество регулирования при изменении задания и рекомендуемой
коррекции параметров регулятора по данным работы АНР.
уточнены области применения алгоритма настройки регуляторов, основанного на МНК-приближении к субоптимальному регулятору; получены рабочие зависимости для однозначного расчета параметров алгоритма МНК-приближения в регулирующем контроллере с учетом параметров модели объекта, получаемых по оперативным данным.
предложенная система гибридной структуры, в которую входят ПИД-регулятор, модуль АНР и алгоритм максимального быстродействия, позволяет повысить качество регулирования при отработке задающего воздействия с использованием модели объекта по данным работы АНР и рекомендаций для коэффициента прогноза.
алгоритм максимального быстродействия целесообразно включать эпизодически при отработке существенного изменения задания; при этом достаточно ограничиться его работой до первого переключения, чтобы исключить автоколебания в системе, а далее следует осуществить переход к ПИД-регулированию для стабилизации выхода объекта на заданном значении.
Практическая значимость
- рассчитаны зависимости и получены аппроксимирующие формулы для оптимальных
значений косвенных показателей, используемых в алгоритме АНР;
предложена структура регулирующего контроллера с предиктором Смита, в которую, помимо предиктора и ПИД-регулятора, входит модуль АНР, выполняющий функции определения параметров модели объекта и автоматической настройки регулятора; выполнено тестирование предложенной системы, реализованной на базе промышленных контроллеров Овен ПЛК и программного пакета CODESYS с применением физического имитатора объекта, показана ее работоспособность;
сформулированы рекомендации по коррекции параметров ПИД-регулятора, получаемых по данным АНР, для работы с предиктором Смита с целью повышения эффективности работы АСР для круга объектов с типовыми динамическими свойствами;
для алгоритма настройки регуляторов, основанного на МНК-приближении к субоптимальному регулятору в частотной области, получены рабочие зависимости для однозначного определения в регулирующем контроллере (по данным АНР) параметров МНК-алгоритма (частотного диапазона, постоянных времени фильтров и корректирующего коэффициента динамической ошибки) с учетом данных о модели объекта для ряда типовых случаев с целью повышения точности настройки АСР и расширения области применения;
для систем, работа которых связана с изменением задания, предложена гибридная структура регулирующего контроллера, в состав которой входят алгоритм максимального быстродействия, ПИД-алгоритм и модуль АНР, выполняющий функции настройки регулятора с определением модели объекта, которая используется также для расчета линии переключения алгоритма максимального быстродействия; показана работоспособность системы путем ее тестирования в среде Borland C++;
предложено решение вопроса о режимах применения алгоритма максимального быстродействия (АМБ) и ПИД-регулятора, предусматривающее работу АМБ до первого переключения с последующим переходом на ПИД-регулирование; даны рекомендации по применению прогноза для объектов с запаздыванием с учетом данных АНР.
Достоверность результатов
При исследованиях использованы модели объектов, типичных для теплоэнергетики и теплотехники; модели получены на основании экспериментальных данных из литературных источников или полученных автором самостоятельно. Анализ работы алгоритмов производился с использованием промышленных контроллеров, физических имитаторов объекта, а также симулятора, реализованного на программируемом контроллере с физическими сигналами на входе и выходе. Достоверность результатов работы обусловлена также корректным применением математического аппарата теории автоматического управления и теории оптимального управления, а также применением современных программных средств выполнения математических и инженерных расчетов.
Апробация работы и публикации:
Результаты научных исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседании кафедры АСУ ТП ФГБОУ «НИУ «МЭИ» (г. Москва, 2018 г.), на Международной научно-практической конференции “Молодёжный форум: технические и математические науки”, (г. Воронеж, 2015 г.), на XXVIII, XXIX и XXX Международных научных конференциях. Математические методы в технике и технологиях ММТТ – 28 (г. Рязань, 2015 г.), ММТТ-29 (г. Санкт-Петербург и Самара, 2016 г.), ММТТ-30 (г. Санкт-Петербург и Минск, 2017 г.), на XXII, XXIII и XXIV Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика” (г. Москва, 2016, 2017, 2018 гг.), на Международной научно-практической конференций Инфорино-2016 (г. Москва), на XXVII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты» (г. Новосибирск, 2017 г.), на IV Международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы» (г. Томск, 2016 г.), на Двенадцатой Международной научно-технической конференций студентов, аспирантов и молодых учёных «Энергия-2017» (г. Иваново, 2017 г.), на XII
7 Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2017 г.), на Международной научно-технической конференций "Пром-Инжиниринг" (г. Челябинск, 2016 г. и г. Санкт-Петербург, 2017 г.) и на Международной конференций «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (г. Москва, 2017 г.).
Основные положения диссертации отражены в 18-ти публикациях, две из которых - в журналах перечня ВАК «Теплоэнергетика» (с переводом и публикацией на английском языке) и «Новое в Российской Электроэнергетике», пять - в базе данных Scopus и Web of science (на английском языке), остальные - в материалах докладов и тезисов международных конференций.
Личный вклад
Автором лично решены основные задачи диссертации, в том числе: проведены модельные исследования на экспериментальном стенде, разработаны и сформулированы практические рекомендации, выполнены технические расчеты и получены результаты. Все разработки, программные реализации и научные результаты, выносимые на защиту и изложенные в тексте диссертации, получены либо автором лично, либо при его непосредственном участии.
Структура и объем работы