Учебное пособие (к диплому)

•модель технологического объекта управления (ТОУ) динамическая или статическая;

•модель линейная (для окрестности заданного режима работы ТОУ) или нелинейная (всережимная);

•форма определения модели (передаточные функции отдельных каналов "вход-выход", система дифференциальных или алгебраических уравнений, и

др.).

Взависимости от характера (формы) математической модели ТОУ, а также имеющихся исходных данных, определяется способ ее получения:

•аналитическое построение модели по имеющимся конструктивным и режимным данным для ТОУ 1;

•решение задачи идентификации ТОУ по результатам

экспериментального определения статических или динамических характеристик 2.

Аналитическое построение модели ТОУ

Исходными данными для построения аналитической модели ТОУ служат:

•конструктивные данные по моделируемому ТОУ (в т.ч. описание моделируемых технологических процессов);

•данные по режимам работы ТОУ (в т.ч. режимные карты);

•результаты технологических расчетов (теплогидравлического, аэродинамического, расчет производительности и др.).

Построение модели ТОУ путем решения задачи идентификации

• Идентификация динамических объектов управления. Исходными данными для решения задачи идентификации

ТОУ служат:

-экспериментальные переходные характеристики как реакции объекта на идентифицирующие ступенчатые воздействия;

-экспериментальные частотные характеристики.

1Поддерживается дисциплиной ГОС «Моделирование систем»

2Поддерживается дисциплиной ГОС «Идентификация и диагностика систем»

41

•Идентификация статических объектов управления и оптимизация режимов их функционирования

Исходными данными для определения статической модели объекта управления (в форме уравнения регрессии) служат результаты наблюдений (в установившихся режимах) входных и выходных координат (матрица наблюдений).

В качестве типовой задачи, решаемой с помощью нелинейной статической модели объекта управления, рассматривается задача определения оптимальных режимов функционирования автоматизируемого технологического оборудования (например, определения оптимального распределения нагрузки для группы параллельно работающих агрегатов). При этом решаемая задача сводится к поиску точки оптимума для заданного критерия и ограничений (классическая задача нелинейного программирования).

3.2.3.Параметрический синтез систем автоматического управления (регулирования) 1

Для заданных структур автоматических систем регулирования (АСР) задача определения оптимальных параметров настройки решается с помощью следующих методов:

-параметрический синтез (расчет) АСР методом расширенных комплексных частотных характеристик (РКЧХ);

-параметрический синтез (расчет) АСР методом частотного показателя колебательности.

Для любого из применяемых методов исходными данными для решения задачи параметрического синтеза АСР служат:

1)математическая модель ТОУ (как правило, задана в виде передаточных функций "вход-выход");

2)законы управления (регулирования), реализуемые управляющими устройствами (по алгоритмической схеме);

3)ограничение в виде требования к затуханию собственных переходных процессов системы (степень затухания ψ не менее заданной);

1Поддерживается дисциплиной ГОС «Теория автоматического управления»

42

4)критерий оптимальности (как правило, минимаксный критерий – линейный интегральный или интегральный квадратичный показатели).

Параметрический синтез одноконтурной АСР рассматриваемыми методами реализуется с помощью программного комплекса "ТЕМП". Методика расчета отработана в курсовой работе по дисциплине «Теория автоматического управления».

Методика расчета двухконтурной АСР сводится к расчету двух одноконтурных АСР по следующим схемам:

первая расчетная схема:

1)расчет контура стабилизации (регулятора);

2)расчет основного контура (дифференциатора) как эквивалентного регулятора;

вторая расчетная схема:

1)расчет дифференциатора;

2)расчет регулятора. Каскадная схема:

-регулятор стабилизирующий;

-регулятор контура (эквивалентный объект).1

Синтез устройства компенсации внешний контролируемых возмущений выполняется аналитически по условию обеспечения инвариантности системы к данному возмущению.

3.2.4.Имитационное моделирование системы автоматического управления (регулирования)

Имитационное моделирование проводится для получения переходных процессов в исследуемых системах при отработке ими характерных воздействий (как правило, ступенчатых) и для последующей оценки соответствующих прямых показателей качества автоматического управления.

Исходными данными для имитационного моделирования служат:

-расчетные и структурные схемы моделируемых систем;

-математическая модель ТОУ в виде всех требуемых передаточных функций по отдельным каналам "входвыход";

1 Поддерживается дисциплиной ГОС «Локальные СУ» и соответствующим курсовым проектом.

43

-модели элементов управляющих устройств или каналов

управления в целом.

При имитационном моделировании желательно в максимально возможной степени учесть особенности реальных систем управления (дискретно-импульсное преобразование управляющего сигнала, ограничение по величине и скорости изменения управляющих сигналов или по положению регулирующего органа, нелинейность расходной характеристики регулирующего органа и т.д.).

Выполнение этапа имитационного моделирования с помощью любых инструментальных средств (например, системы МИК.АЛ, VISSIM), но при этом обязательно должны быть указаны используемый в процедурах метод численного интегрирования, шаг квантования по времени и точность интегрирования (в этом случае результаты вычислительных экспериментов должны быть задокументированы максимально подробно).

3.2.5.Расчет и моделирование регулирующих органов АСР 1

1.Предварительные замечания

На качество функционирования АСР существенное влияние оказывают характеристики исполнительных устройств (ИУ). Поэтому при исследовании АСР рекомендуется выполнить расчет с целью обоснованного выбора ИУ и последующего учета влияния характеристик ИУ на переходные процессы в замкнутой системе регулирования.

Исполнительное устройство состоит из двух элементов:

-исполнительного механизма (ИМ);

-регулирующего органа (РО).

Изменение расхода жидкого и газообразного веществ осуществляется чаще всего двумя способами:

1)путем изменения сопротивления сети, по которой протекает регулируемая среда, при постоянном располагаемом напоре источника (этот способ называется дроссельным);

2)путем изменения располагаемого напора, развиваемого источником при постоянном сопротивлении линии.

Основными типами дроссельных регулирующих органов, используемых на ТЭС, являются:

-поворотные заслонки;

1 Поддерживается дисциплиной «Регулирующие органы» учебного плана специальности

44

-регулирующие клапаны;

-шиберные клапаны;

-диафрагмовые клапаны;

-краны.

Расчет регулирующих органов проводится с целью:

-обеспечения требуемого диапазона регулирования;

-обеспечения заданной расходной характеристики регулирующего органа;

-обеспечения требуемого качества переходного процесса

всистемах регулирования в составе АСУТП.

2.Исходные данные для расчета

Исходные данные включают в себя:

-описание технологических и конструктивных особенностей объекта регулирования; характеристику режимов эксплуатации объекта; характеристику действующих возмущений (внешние, внутренние);

-статическую характеристику технологического участка (объекта регулирования без регулирующего органа) в диапазоне от минимального до максимального расхода среды;

-схему расчетного участка гидравлической системы в одном из двух вариантов:

а) схема гидравлической системы с указанием конструктивных размеров и типа местных сопротивлений; б) схема гидравлической системы с указанием перепадов

на местных сопротивлениях при номинальном расходе;

-параметры регулируемой среды в гидравлической системе: агрегатное состояние, расход (номинальный, минимальный), давление, температура, плотность;

-анализ способов регулирования энергоносителя в гидравлической системе; уточнение диапазона регулирования для регулирующего органа;

-технологические требования к оптимальной форме расходной характеристики, в том числе:

а) требования ПТЭ к крутизне расходной характеристики,

к начальному пропуску регулируемой среды и т.д.; б) требования к оптимальной форме расходной

характеристики, обеспечивающей заданное качество переходного процесса в АСР.;

в) допустимое отклонение коэффициента усиления регулирующего органа от расчетного коэффициента,

45

соответствующего заданной расчетной характеристике.

3. Этапы расчета и выбора регулирующего органа

В рамках дипломного проектирования комплексный расчет и выбор регулирующего органа целесообразно выполнить согласно следующей методике:

1)определение перепада давлений на регулирующем органе при максимальном расходе среды;

2)расчет максимальной пропускной способности регулирующего органа;

3)выбор типоразмера регулирующего органа;

4)построение расходной характеристики и сравнение с заданной РХ;

5)коррекция расходной характеристики;

6)проверка на кавитацию;

7)разработка имитационной модели узла регулирования с выбранным регулирующим органом.

4.Разработка имитационной модели исполнительных устройств

Результаты расчета рекомендуется использовать для обоснования выбора РО и построения имитационной модели канала формирования управляющих воздействий (в составе модели АСР в целом). Модель РО может быть также определена путем предварительной оценки РХ по трендам сигналов, регистрируемых на архивной станции ПТК АСУТП.

Для моделирования исполнительных устройств необходимо определить практически значимые факторы, оказывающие существенное влияние на качество работы АСР.

Наиболее значимыми можно считать следующие факторы:

-форма расходной характеристики РО – зависимость расхода среды от степени открытия регулирующего органа;

-условная пропускная способность РО – номинальное

значение пропускной способности РО при максимальном (условном) ходе затвора, м3/ч (условная пропускная способность зависит от типа РО и размера его условного прохода);

-начальная пропускная способность РО (при ходе затвора равном 0), которая характеризует протечки через затвор в закрытом положении.

-степень открытия РО – отношение текущего хода затвора

кусловному (максимальному) ходу затвора, %;

46

-люфт характеристики РО – разность значения расхода при прямом и обратном ходе исполнительного механизма;

-время полного хода исполнительного механизма – время перемещения исполнительного механизма из одного крайнего положения в другое.

Имитационную модель исполнительного устройства целесообразно реализовывать двумя соответствующими макроблоками:

-макроблок модели ИМ;

-макроблок модели РО.

На выходе макроблока РО должен формироваться сигнал по расходу технологической среды. При разработке имитационной модели исполнительных устройств необходимо учесть особенности выбранного на предыдущих этапах регулирующего органа, его расходную характеристику, тип и параметры исполнительного механизма, и ряд других факторов.

5. Исследование работы АСР с имитационными моделями исполнительных устройств

Разработанные модели исполнительных устройств необходимо включить в модели АСР в среде имитационного моделирования. После этого рекомендуется провести исследование структурных схем моделей "идеальной" АСР (той модели, где присутствует только модель идеального регулятора), созданной в разделе имитационного моделирования дипломного проекта, и АСР, содержащей разработанную модель исполнительного устройства.

Для сравнения статических и динамических характеристик модели "идеальной" АСР и модели АСР с реальными исполнительными устройствами, рекомендуется поставить серию вычислительных экспериментов. При этом целесообразно вести наблюдения за следующими параметрами моделей АСР:

-сигнал на выходе регулятора;

-положение РО;

-расход среды через РО;

-регулируемый параметр.

Взаключении по данному разделу рекомендуется провести анализ работы моделей АСР и сделать выводы о степени влияния различных параметров исполнительных устройств на показатели качества автоматического регулирования, а также дать рекомендации по совершенствованию работы

47

исполнительного устройства в составе АСР.

3.2.6.Анализ результатов математического моделирования (выводы и рекомендации)

Вэтом разделе необходимо подвести итоги проведенного математического моделирования, сформулировать выводы по всем поставленным целям и решаемым задачам, сопоставить полученные результаты с общими требованиями к разрабатываемой АСУТП (в соответствии с техническим заданием), дать заключение о работоспособности и эффективности исследуемой системы управления.

Входе анализа результатов следует опираться на полученные при моделировании конкретные характеристики и показатели (например, показатели качества автоматического регулирования), а также проводить их сравнение с требованиями к системе.

3.3. Проектная компоновка ПТК системы управления

По завершении алгоритмического синтеза на втором этапе стадии функционального проектирования принимаются общесистемные решения (определяется техническая структура системы управления и осуществляется предварительная проектная компоновка ПТК с распределением входных и выходных сигналов по отдельным контроллерам).

Проектная компоновка ПТК выполняется в следующей последовательности:

1)выполняется декомпозиция ТОУ на отдельные функциональные зоны. По каждой функциональной зоне определяется: состав и типы подключаемых к ПТК датчиков контролируемых технологических параметров; состав управляемых от ПТК исполнительных устройств и соответствующих сигналов (выходных управляющих сигналов; входных аналоговых и дискретных сигналов о состоянии исполнительного устройства);

2)выполняется разработка заказной спецификации на контроллеры управляющего комплекса ПТК. Для каждой функциональной зоны ТОУ (группе контроллеров ПТК) определяются: количество модулей УСО: АЦП (унифицированные сигналы; сигналы от термопар; сигналы от термосопротивлений); ДЦП; ЦДП; ЦИП; ЦАП;

48

3) определяется техническая структура АСУТП, в составе которой выделяются следующие подсистемы:

-управляющий комплекс, состоящий из контроллеров, ответственных за базовый уровень реализации информационных и управляющих функций;

-информационно-вычислительный комплекс, состоящий из рабочих станций, решающих задачи представления, хранения технологической информации, дистанционного дисплейного управления и др.;

-сетевой комплекс, состоящий из шлюзов, концентраторов, коммутаторов и кабелей и обеспечивающий обмен информации между

компонентами системы.

При проектной компоновке ПТК для всех аппаратных средств применяются соответствующие методики.

Разработка заказной спецификации на контроллеры управляющего комплекса ПТК выполняется по следующей методике:

1) определение базовых и проектно-компонуемых комплектов контроллеров. Расчет состава аппаратных средств контроллеров с учетом требований резервирования и дальнейшего развития АСУТП (как правило, по числу входных и выходных сигналов контроллеров предусматривается резерв

20%);

2)проектирование порядка и размещения модулей в каркасах контроллеров;

3)проектирование схем подключения внешних устройств к контроллерам ПТК;

4)реализация схем питания и заземления контроллеров. Выбор технических средств информационно-

вычислительного комплекса выполняется по методике:

1)определение числа и типа компьютеров для оперативного режима и средств САПР ПТК (инженерные станции);

2)определение количества и типов мониторов, включая настольные мониторы и экраны коллективного пользования;

3)определение необходимого количества и типов периферийных устройств и резервных средств контроля и управления.

Выбор технических средств сетевого комплекса включает в себя:

49

1)определение логической структуры сетей верхнего (уровня рабочих станций) и нижнего (контроллерного) уровней ПТК с учетом основных информационных потоков и требований резервирования;

2)определение физической структуры сетей верхнего и нижнего уровней ПТК. Определение числа и типа коммутаторов и шлюзов. Определение вида (витая пара или оптоволокно) и длины всех кабельных соединений сети;

3)оценка корректности работы спроектированной сети верхнего уровня ПТК (например, для сети стандарта Ethernet учет ограничений на максимальную длину каждого физического сегмента, время двойного оборота сигнала, сокращение межкадрового интервала). Принятие решений по утверждению или изменению физической структуры сети;

4)разработка заказной спецификации на сетевые средства.

Результаты компоновки целесообразно отобразить в виде технической структуры ПТК (как проектно-компонуемого изделия) и АСУТП в целом.

3.4. Разработка прикладного программного обеспечения системы управления

3.4.1. Предварительные замечания

В отличие от "традиционных" СКУ функциональные задачи АСУТП на базе ПТК реализуются преимущественно с помощью прикладного программного обеспечения (ПО).

Разработка проекта прикладного ПО включает в себя следующие этапы:

−администрирование проекта и разработка базы данных объектов;

−разработка прикладного ПО контроллеров (алгоритмических схем решения основных функциональных задач);

−разработка человеко-машинного интерфейса (видеограмм операторских станций);

−разработка расчетных (вычислительных) задач (например, расчет ТЭП, диагностирование технологического оборудования

идр.).

50