Адаптивные ПИД-регуляторы с пробным гармоническим сигналом для управления техническими объектами

Адаптивные ПИД-регуляторы с пробным гармоническим сигналом для
управления техническими объектами
Назначение и область примерения:
Область применения данного алгоритма определяется широким классом нестационарных
технологических процессов с любой величиной запаздывания в каналах измерения и
управления (желательно с плавными частотными характеристиками). Основное
ограничение – опасность возбуждения объекта на резонансных частотах, т.е. алгоритм не
применим для острорезонансных объектов. Реализация алгоритма возможна в
программном и аппаратном виде.
Потенциальные потребители:
Предприятия, занимающиеся разработкой промышлееных управляющих
контроллеров, другие предприятия приборостроения, использующие ПИД-закон
управления. Фирмы, занимающихся системной интеграцией в сфере промышленной
автоматизации, отделов АСУ на крупных промышленных предприятиях и научноисследовательских институтов, научных коллективов ВУЗов, разрабатывающих системы
контроля и управления.
Научно-техническое описание:
Построение адаптивных систем управления является одной из наиболее важных и бурно
развивающихся в теории управления областей. Это отражает объективную тенденцию
развития современных систем управления объектами с переменными параметрами. В
настоящее время при управлении технологическими процессами нашли широкое
применение цифровые ПИД-регуляторы. Расчет их настроек обычно проводят
квалифицированные наладчики. Однако, с течением времени характеристики многих
объектов могут меняться, нивелируя трудовые затраты на настройку регуляторов.
Таких объектов управления в промышленности по последним данным насчитывается
около 15% и их можно отнести к объектам с переменными (или нестационарными)
параметрами. Дрейф параметров может вызываться рядом факторов:
 сменой нагрузки на технологический агрегат или задания регулятору;
 изменением состава или качества сырья, используемого в процессе;
 старением оборудования (например, старение катализатора, увеличение накипи в
теплообменниках, выгорание футеровки печей и т. д.);
 влиянием окружающей среды, связанной со сменой времен года;
 реконструкцией или заменой части оборудования, входящего в технологический
комплекс и т. д.
Современные цифровые контроллеры, оснащенные блоками автонастройки, частично
решают задачу управления такими объектами путем эпизодического включения
автонастройки. Однако, момент повторного включения настройки зачастую неизвестен.
Поэтому актуальной, одной из важнейших научно-технических задач, является задача
построения цифровых адаптивных ПИД-регуляторов, способных непрерывно парировать
дрейф динамических характеристик объекта.
Функционирование предприятий в условиях жесткой рыночной конкуренции требует
снижения издержек на этапе проектирования и при производстве пуско-наладочных
работ, то есть применение самонастройки одновременно для многочисленных контуров
регулирования, составляющих современные комплексы АСУ. А именно на этапе пусконаладки наиболее ярко проявляется нестационарность характеристик объектов
управления, что также обосновывает применение систем непрерывной настройки и
внедрение их в промышленные контроллеры и средства компьютерного проектирования
АСУ ТП.
Учитывая вышесказанное, на основе активных частотных методов самонастройки
разработана структурная схема (рис. 1) и алгоритм работы адаптивного цифрового ПИДрегулятора с настройкой по одной точке АФХ объекта управления /4-6/. Расчет настроек
ПИД-регулятора ведется по «характерным» точкам АФХ объекта. Предложено в качестве
новой характерной точки рассматривать точку с фазовым сдвигом –2.11 рад. Доказано,
что расчет параметров регулятора по вектору АФХ с аргументом –2.11 рад позволяет
получать настройки, близкие к оптимальным в смысле минимума СКО регулирования,
причем даже для объектов с большим запаздыванием.
Настройка в замкнутом контуре осуществляется путем подачи на вход объекта, наряду с
управляющим Uр пробного сигнала Uг с генератора синусоидальных колебаний. Фильтр


Фурье 1 оценивает значения амплитуды Rв х и фазы  в х пробных колебаний в сигнале


управления U. Фильтр Фурье 2 оценивает Rв ых и  вых в выходном сигнале Y объекта.
Соответственно вычислитель АФХ определяет вектор комплексной характеристики


объекта Rо ,  о на частоте тестового сигнала . Поиск и дальнейшее отслеживание

частоты, на которой фазовый сдвиг  о равен з=–2.11 рад, осуществляет БФАЧ.
Вычислительный блок производит расчет настроек ПИД-регулятора при захвате БФАЧ

фазы –2.11 рад:
k р  0.7 / Ro ( j ); Tи  N j / 3.5; Tд  Tи / 4 , где Nj=2/(Tq) –
нормированный период пробных колебаний, j – номер текущего цикла адаптации.
Настройки ПИД-регулятора также нормированы по периоду квантования Tq. Блок
вычисления АФХ находит текущую оценку положения вектора АФХ объекта:






Rо ( j )  Rвых ( j ) Rв х ( j ) ,  о ( j )   вых ( j )   в х ( j ) .
Рис. 1.
Представленные выше алгоритмы адаптивных ПИД-регуляторов внедряются на
промышленных предприятиях. В частности была разработана программная реализация
адаптивного ПИД- и ПДД-регулятора с настройкой по вектору АФХ объекта управления в
виде FBD-модуля (рис. 2). Модуль применяется в редакторе базы каналов в среде SCADA
системы «Trace Mode».
Рис.2.
Рис.3.
Модуль, реализующий адаптивный алгоритм управления, работает в нормированном
времени. Нормировка осуществляется по величине периода квантования (опроса) для
данного канала. Необходимость нормировки объясняется тем, что величина периода
квантования устанавливается монитором реального времени SCADA системы
автоматически, в зависимости от информационной нагрузки на систему. Численное
значение периода квантования часто неизвестно. В связи с этим, все используемые
математические соотношения блоков системы были нормированы.
Разработанные модули включаются в поставку SCADA TRACE MODE пятой и шестой
версий, а также в новый высокотехнологичный программный продукт Micro TRACE
MODE 6 м адаптивным регулированием для контроллеров МФК, КРУИЗ, MicroPC,
Fastwel, ROBO. Модуль APID адаптивного регулирования используется для управления
объектами, оснащенными пропорциональным исполнительным механизмом, а модуль
APDD - для управления объектами, оснащенными интегрирующим исполнительным
механизмом постоянной или переменной скорости отработки.
В настоящее время идет работа над компактными встраиваемыми микропроцессорными
модулями с реализацией адаптивного ПИД-регулятора и возможностью их встраивания в
микропроцессорные управляющие контроллера сторонних фирм. Внешний вид
устройства представлен на рис. 3.
Достоинства:
Использование адаптивного ПИД-регулятора на практике позволяет потребителю:
 гарантировать наилучшее качество управления в любой момент времени для
широкого класса нестационарных автоматизируемых объектов;
 применять алгоритм как для одноразовой или эпизодической настройки, так и
обеспечить непрерывный процесс подстройки параметров регулятора под изменяющиеся
динамические свойства объекта управления;
 работать со значительно меньшей амплитудой пробного сигнала на входе объекта. В
частности, как показали эксперименты в РВ его можно уменьшить до 2…4 % при
сохранении системой адаптивных свойств;
 достичь высокой помехоустойчивости алгоритма за счет применения фильтра Фурье
для оценки характеристик объекта;
 обеспечить возможность автоматического контроля процесса самонастройки с целью
исключения неустойчивых режимов работы.
Кроме технических преимуществ, использование адаптивных алгоритмов регулирования
позволяет получить существенный экономический эффект за счет:
 сокращения сроков и стоимости пусконаладочных работ;
 повышения качества выпускаемой продукции посредством высокоточного
регулирования основных технологических параметров процесса;
 возможности работать в “минусовых” допусках, что позволяет получить
экономический эффект 2…5 %;
 сокращения численности обслуживающего персонала.
Владелец разработки:
Спицын Александр Владимирович, к.т.н., докторант, 35-36-37, spitsyn@uic.tula.ru;