Методическое и программное обеспечение для имитационного моделирования систем регулирования технологических процессов с нелинейными элементами

В последнее десятилетие в энергетической отрасли России происходит широкомасштабное внедрение систем автоматического управления на базе программно технических комплексов (ПТК). Основой любого ПТК является промышленный контроллер, в структуре которого обычно содержатся различного рода нелинейные элементы. Вследствие этого качество работы контроллеров в системах регулирования зависит не только от параметров идеального закона регулирования, но и от других практически значимых параметров нелинейных элементов.

Существующая практика настройки систем регулирования на работающих объектах, как правило, предполагает экспериментальный поиск настроечных параметров в условиях реальных нелинейностей.

С другой стороны, современная экономическая ситуация требует, чтобы внедрение систем управления происходило в сжатые сроки для минимизации простоя оборудования. Данный факт требует того, чтобы поиск настроечных параметров также мог осуществляться на стадии проектирования АСР, что возможно с помощью применения методов математического моделирования.

В настоящее время наиболее мощными являются методы имитационного моделирования, позволяющие провести симуляцию натурных экспериментов на модели, максимально приближенной к объекту управления и полностью воспроизводящей его структуру и функциональные связи.

Создание и исследование имитационной модели систем автоматического регулирования с нелинейными элементами можно выполнить на основе линейной системы с дополнительным включением в его состав элементов, описывающих нелинейности.

Помимо решения задач по проектированию систем автоматического регулирования методы имитационного моделирования могут использоваться для создания тренажеров оперативного персонала.

В настоящее время существует широкий выбор программных продуктов, позволяющих как разрабатывать сами имитационные модели, так и проводить с ними имитацию экспериментальных исследований. В большинстве своем они реализованы в виде графических редакторов и набора стандартных элементов, из которых можно набирать модель исследуемой системы [1]. Общими недостатками подобных продуктов, помимо высокой стоимости, является закрытость логики модулей, невозможность их изменения, ограниченность библиотекой стандартных элементов. В частности, указанные недостатки могут стать препятствием при создании имитационной модели нового нестандартного устройства.

С учетом вышесказанного в диссертационной работе решается практически значимая и актуальная задача по разработке методического и математического обеспечения имитационного моделирования систем регулирования с нелинейными элементами на основе открытой технологии программирования.

Диссертация состоит из четырех глав и двух приложений.

В первой главе «Предмет исследования и обзор работ по математическому обеспечению задач синтеза и анализа систем регулирования» рассмотрены особенности имитационного моделирования, показано его преимущества для решения задач синтеза и анализа нелинейных систем автоматического регулирования. Приведены сведения о наиболее популярных программных пакетах для построения имитационных моделей, сформулированы требования к среде программирования для более точного имитационного моделирования систем автоматического регулирования с нелинейными элементами, обоснован выбор программного пакета МаЛСАО для решения поставленных задач и рассмотрены структуры типовых регуляторов, применяемых на практике. Показано, что в настоящее время в существующих публикациях недостаточно освещен вопрос по выбору параметров регулятора, работающего с ИМ постоянной скорости в режиме импульсного управления. В частности, требуется выполнить исследование работы широтно-импульсного модулятора, используемого в таких случаях, с учетом эксплуатационных требований: минимизации частоты включений ИМ, недопущения автоколебательных режимов и др.

Вторая глава посвящена разработке библиотеки типовых блоков линейных и нелинейных элементов систем регулирования, которая может быть использована для построения имитационных моделей реальных АСР. В работе представлено математическое описание линейных и нелинейных элементов и типовых узлов, используемых при построении АСР. В соответствии с математическим описанием составлены их имитационные модели. Приведены результаты тестирования разработанных программных модулей.

В третье главе выработаны методические указания по созданию имитационных моделей АСР, рассмотрен процесс построения имитационных моделей АСР с нелинейными элементами на основе разработанных программных блоков, а также даны примеры решения задач оптимизации при синтезе и анализе имитационных моделей.

Работоспособность созданной модели проверена посредством проведения натурных экспериментов на реальном оборудовании, для чего была создана имитационная модель лабораторного стенда с микропроцессорным регулятором «Протар».

Следует отметить тот факт, что был рассмотрен пример использования имитационного моделирования на этапе проектирования, что является ценным результатом с точки зрения практики.

В четвертой главе был проведен анализ качества процессов регулирования в АСР с нелинейными элементами методом имитационного моделирования.

Сделано подробное исследование влияние нелинейных элементов на качество переходных процессов в системе с цифровым регулятором.

Практическая ценность этой части работы заключается в выработке рекомендаций по настройке автоматических систем регулирования с широтно-импульсным модулятором.

В приложениях представлены структуры АСР применяемых на практике и результаты расчетов.

Диссертационная работа выполнена на кафедре автоматизированных систем управления тепловыми процессами МЭИ (ТУ) под руководством к.т.н. доцента В. Р. Сабанина при научном консультировании доцента В. Ф. Кузищина, которым автор благодарен за значительную помощь, оказанную при подготовке диссертации.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам кафедры АСУ ТП и прежде всего доценту Смирнову Н. И., профессору Панько М. А., оказавшим ему содействие и поддержку на различных этапах работы.

Основные результаты, полученные в работе, а также выводы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разработаны библиотеки типовых блоков линейных и нелинейных элементов систем регулирования и их исследование, а именно: создано математическое и программное обеспечение имитационного моделирования линейных и нелинейных динамических элементов в математическом пакете МаШСАО. Выполнено тестирование программных модулей.

2. Создано методическое обеспечение для построения имитационных моделей систем регулирования технологических процессов.

3. Произведен анализ применимости разработанного программного обеспечения для создания имитационной модели реальной АСР и ее настройки. Создана имитационная модель для АСР с микропроцессорным регулятором ПРОТАР и исполнительным механизмом постоянной скорости с использованием ШИМ. На основе серии экспериментов для различных вариантов параметров настройки показана адекватность разработанной имитационной модели.

4. Рассмотрен пример использования имитационного моделирования для настройки систем регулирования на стадии проектирования, а именно: построена имитационная модель системы регулирования и произведена оптимизация системы регулирования.

5. Произведен анализ качества процессов регулирования нелинейных систем методом имитационного моделирования. Рассмотрено влияние нелинейных элементов на качество переходных процессов в системе с цифровым регулятором.

6. Произведен анализ применения полученной методики для настройки систем регулирования с широтно-импульсным модулятором (ШИМ) и исполнительным механизмом постоянной скорости. Даны рекомендации по корректировки минимальной длительности импульса ШИМ.

Таким образом, поставлена и решена задача разработки методического и программного обеспечения на базе математического пакета МаШСАХ) для имитационного моделирования систем регулирования технологических процессов с нелинейными элементами, в том числе, — с исполнительными механизмами постоянной скорости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.