Устройства для построения помехозащищенных контуров управления объектами с запаздыванием

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 198I — 1985 годы и на период до 1990 года», принятых ХХУ1 съездом КПСС, развернута широкая программа ускорения научно-технического прогресса на основе использования достижений науки и техники. В документе указывается на необходимость настойчиво повышать эффективность общественного производства на основе его всесторонней интенсификации, улучшать качество продукции, всемерно внедрять комплексную механизацию и автоматизацию производственных процессов, бережливо использовать материальные ресурсы, повысить технический уровень вычислительной техники, приборов и средств автоматизации на основе новейших достижений микроэлектроники С11.

Актуальность проблемы. Массовый характер применения автоматизированных систем управления (АСУ ТП) в промышленности, тенденция к усложнению как самих объектов, так и задач автоматизации заставляет искать новые принципы управления, создавать более совершенные системы. Одной из важнейших задач автоматизации является создание систем управления объектами с запаздыванием, к которым можно отнести многие промышленные объекты. Параметры объекта, как правило, изменяются под влиянием внешней среды, внутренних условий (на различных этапах технологического процесса) и внутренней структуры (износ, старение). Трудным является и получение информации о координатах состояния объекта, так как доступные для наблюдения сигналы обычно «загрязнены» помехами. Указанные обстоятельства часто приводят к невозможности использовать традиционные средства автоматики. Наиболее эффективным является применение оптимальных адаптивных устройств управления и фильтрации, теория которых в настоящее время интенсивно развивается.

3, 22, 48, 71, 72]. Однако в промышленности преобладают обычные линейные системы регулирования, а адаптивные устройства только начинают внедряться и, как правило, сложны, дорогостоящи и решают узкий круг задач.

Нерешенйым вопросом является разработка адаптивных устройств, отличающихся простотой технической реализации, высокой эффективностью и предназначенных для широкого использования в различных отраслях промышленности при построении систем управления объектами с запаздыванием. Решение указанных задач позволяет повысить эффективность использования производственных агрегатов, увеличить производительность, улучшить качество продукции, обеспечить экономное использование сырья и источников энергии.

По этим причинам исследование и разработка простых и эффективных методов построения помехозащищенных контуров управления объектами с изменяющимися параметрами и реализация на основе этих методов устройств для широкого применения в АСУ ТП является важной и актуальной задачей.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка и исследование методов и устройств для построения помехозащшценных контуров управления объектами с изменяющимися параметрами. Основное внимание уделено объектам с запаздыванием. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— проанализировать методы управления объектами с переменными параметрами, содержащими запаздывание;

— исследовать влияние помех в регулируемой величине на выбор структуры регуляторов для объектов с запаздыванием;

— выработать на основе обобщения существующих методов требования к аппаратуре управления промышленными объектами с переменными параметрами, содержащими запаздывание и работающими в условиях воздействия на них помех;

— разработать простые способы построения адаптивных регуляторов и фильтров для помехозащищенных контуров управления объектами с переменными параметрами, методику их синтеза и анализа;

— разработать на основе предложенных способов простые в технической реализации адаптивные управляющие устройства и фильтры.

Основные на. учные результаты.

1. Выработаны требования к аппаратуре помехозащищённых контуров управления промышленными объектами с переменными параметрами, содержащими запаздывание.

2. Предложены и теоретически обоснованы простые помехоустойчивые способы идентификации параметров объектов, содержащих запаздывание.

3. Предложен и теоретически обоснован эффективный способ идентификации уровня нестационарных сигналов.

4. Разработаны алгоритмы адаптивного управления объектами с запаздыванием на основе критерия максимальной степени устойчивости и результатов, вытекающих из теории оптимальных систем управления.

5. Разработан помехоустойчивый алгоритм адаптивного управления объектами с преобладающим запаздыванием.

6. Предложена методика анализа и синтеза адаптивных фильтров и помехозащищённых дифференциаторов.

Основные теоретические положения и выводы обоснованы математическими методами теории автоматического управления, подтверждены экспериментом и результатами использования в промышленности.

Практическая ценность и реализация в промышленности. Полученные в работе результаты позволяют создавать простые адаптивные устройства, предназначенные для построения высокоэффективных помехоэащищённых контуров управления промышленными объектами, как стационарными, так и объектами, параметры которых изменяются в широких пределах. Методы и алгоритмы, представленные в работе, удобны для реализации устройств управления на базе микропроцессоров.

Результаты, полученные в диссертации, использованы при создании входящих в состав комплексов контроля и регулщювания с переменной структурой KM220I устройств: адаптивных регуляторов Ф5187(БРАА2), Ф5179(БРАА1), Ф5210(БМАР2), Ф5177(БРАР1), помехо-защищённого дифференциатора Ф5170(БМАД1), задатчика аналогового сигнала Ф518Э (ПЗРА1), субблока вспомогательных функций Ф5206 (БМУР1).

Указанные разработки выполнены при непосредственном участии автора, на основании плана важнейших работ Минприбора. Перечисленные изделия в настоящее время серийно выпускаются Киевским производственным объединением «Точэлектроприбор». Эта аппаратура нашла широкое применение при построении локальных контуров управления в различных отраслях промышленности.

Полученные в диссертации результаты внедрены также в разработках СКБ Харьковского завода «Электромашина» для повышения динамических свойств тиристорных регуляторов возбуждения генераторов тепловозов и при создании программ функционирования регуляторов для объектов с запаздыванием для микропроцессорных контроллеров, разработанных Харьковским ОКБ «Теплоавтомат» .

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— постоянно действующем семинаре по применению комплекса технических средств для локальных информационно-управляющих систем (Киев, 1979 г., Днепропетровск, Тбилиси, Харьков, 1980 г., Свердловск, 1981 г.);

— ХиУ7Х1У) Х1*У1 научно-технических конференциях кафедр ХИИТа и специалистов железнодорожного транспорта (Харьков, 1982 -1984 гг.);

— республиканской конференции «Автоматизированные системы контроля и управления сложными промышленными объектами» (Харьков, 1982 г.) ;

— региональном научно-техническом семинаре «Автоматизированные системы управления технологическими процессами на базе микропроцессоров, микрои мини-ЭВМ» (Новочеркасск, 1983 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 7 авторских свидетельств СССР на изобретения.

Объем и структура работы. Материал основной части диссертации изложен на 134 страницах машинописного текста, иллюстрирован 56 рисунками и 2 таблицами. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и приложений.

Основные результаты работы сводятся к следующему.

1. Исследованы и обобщены методы построения регуляторов для управления объектами с запаздыванием. Выявлены взаимосвязь мевду различными алгоритмами управления и общие закономерности, присущие этим алгоритмам.

2. Проанализировано влияние помех на работу контуров управления объектами с запаздыванием и изменения в структуре регуляторов, вызываемые необходимостью учёта этих помех.

3. Рассмотрены некоторые методы построения помехоустойчивых фильтров и дифференциаторов, наиболее пригодные для использования в адаптивных контурах управления объектами с изменяющимися параметрами, показана необходимость идентификации параметров объектов и статистических характеристик полезного сигнала и помех.

4. Выработаны требования к структуре помехозащищённых контуров управления с изменяющимся запаздыванием, методам управления такими объектами и к отдельным элементам структуры контуров управления. Рассмотрены целесообразные границы применимости различных регуляторов.

5. Предложен и исследован ряд пригодных для целей автоматического управления способов идентификации параметров объекта регулирования, выбираемых в зависимости от ширины спектра возмущения.

Эти методы идентификации являются помехозащищенными, просты в реализации, удобны для построения адаптивных контуров управления объектами с изменяющимися параметрами.

6. Синтезирован регулятор для управления объектами с преобладающим запаздыванием, позволяющий получить близкий к оптимальному, в смысле минимума интеграла от модуля ошибки регулирования, переходный цроцесс. Применение идентификации запаздывания позволило получить алгоритм управления, инвариантный ко времени запаздывания. Исследованы качество переходных процессов и устойчивость контура управления, содержащего разработанный регулятор.

Полученный алгоритм является помехоустойчивым, достаточно простым и удобным для реализации и применим для широкого класса объектов с преобладающим запаздыванием — как стационарных, так и с изменяющимся в широких пределах во времени запаздыванием.

7. На основе результатов теории оптимальных систем, вытекающих из принципа максимума Понтрягина, синтезирован регулятор для оптимального по быстродействию управления инерционным объектом второго порядка с запаздыванием, содержащим интегрирующее звено. Рассмотрены различные стратегии управления. Выражения для алгоритма управления получены в форме, допускающей ясную физическую трактовку процесса управления. Принятая структура объекта учитывает ограничения, обусловленные исполнительным механизмом, и важна для практического применения.

Показано, что из данного алгоритма путём предельного перехода можно получить алгоритм управления объектами с преобладающим запаздыванием, синтезированный ранее.

8. На основе критерия максимальной степени устойчивости получены выражения для выбора параметров настройки ПИД-регулятора Эти выражения представляют собой функцию постоянной времени и запаздывания объекта управления и позволяют синтезировать адаптивный ПЙД-закон управления объектами с переменными параметрами.

9. На основе линейной теории фильтрации Колмогорова-Винера синтезирован фильтр, коэффициенты передаточной функции которого несущественным образом отличаются от коэффициентов передаточной функции оптимального фильтра. Полученная струщра фильтра состоит из однотипных повторяющихся звеньев, величина коэффициентов которых определяется простыми выражениями. Это позволяет легко строить фильтры высоких порядков, а также дает возможность реализации алгоритма фильтрации на микро-ЭВМ.

10. Предложен более быстрый, чем традиционно применяемые, метод оценки текущего значения уровня полезного сигнала, от которого зависят параметры оптимального фильтра. Этот метод является приемлемым для целей адаптации, так как позволяет быстро оценить уровень полезного сигнала, что дает возможность своевременно изменять коэффициенты оптимального фильтра.

11. Предложена структура адаптивного помехозащшцённого дифференциатора и методика анализа, на основе которой определены эквивалентные параметры передаточной функции дифференциатора для полезного сигнала и оценено влияние помехи. Дифференциатор позволяет производить операцию дифференцирования, близкую к оптимальной (в смысле минимума среднего квадрата ошибки дифференцирования) при изменении дисперсии помехи, и точное дифференцирование — при отсутствии помех.

Структурная схема дифференциатора и выражения, описывающие его работу, достаточно просты, и использованы при реализации дифференциаторов для промышленного применения.

12. Разработаны алгоритмы реализации адаптивных регуляторов для объектов с запаздыванием на основе использования микропроцессорной техники, отличающиеся высокой эффективностью и малым объемом требуемой памяти.

13. Выполнено экспериментальное исследование предложенных методов и устройств, подтвердившее полученные в работе теоретические результаты.

14. На основе теоретических и экспериментальных исследований и современной элементной базы — интегральных микросхемразработаны: адаптивный регулятор для объектов с преобладающим запаздыванием, помехозащищённый адаптивный дифференциатор, высокоточный помехозащищённый задатчик аналогового сигнала.

В соответствии с планом важнейших работ Минприбора полученные в работе теоретические результаты реализованы в следующих изделиях: адаптивных регуляторах Ф5187(БРАА2), Ф5177(БРАР1), Ф5179СБРАА1) и Ф52Ю (БМАР2), помехоустойчивом дифференциаторе Ф5170(БМАД1), задатчиках аналогового сигнала Ф5183(ПЗРА1), субблоке вспомогательных функций Ф5206(БМУР1), входящих в комплексы контроля и управления KM220I. Указанные изделия серийно выпускаются Киевским ПО «Точэлектроприбор» .

15. Полученные в диссертации результаты внедрены также в разработках ОКБ Харьковского завода «Электромашина» для повышения динамических свойств тиристорных регуляторов возбуждения генераторов тепловозов и при создании программ функционирования регуляторов для объектов с запаздыванием для микропроцессорных контроллеров, разработанных Харьковским ОКБ «Теплоавтомат» (шифр тем в плане работ ХИИТа 3/9−82, 3/9−83, 31/6−83, 23/2−83).

Годовой экономический эффект от внедрения этих результатов составляет более 100 тыс. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации разработаны и исследованы методы построения устройств для реализации помехозащищённых контуров управления объектами с изменяющимися параметрами. Основное внимание уделено объектам с изменяющимся запаздыванием.