Возможности и специфика метода масштабирования для настройки регуляторов в замкнутых САР

Возможности и специфика метода масштабирования для настройки регуляторов в замкнутых САР.

(Опубликована в журнале Приборы и Системы. Управление,

контроль, диагностика, № 5, 2004)

Распространённой причиной, ослабляющей эффективность работы АСУТП, является низкое качество настройки регуляторов в замкнутых контурах управления. Практика показывает, что именно по этой причине многие системы автоматики допускают неоправданно большие и продолжительные отклонения управляемых величин (параметров) от требуемых по технологии номиналов. Негативные последствия выражаются в снижении качества выпускаемой продукции (или в браке), росте расхода сырья и энергопотребления, повышении вероятности аварийных ситуаций и т. п. Можно не сомневаться, что корректный подсчёт экономических потерь от названных последствий произвёл бы в большинстве случаев сильное впечатление и заставил бы уделять больше внимания вопросам качества работы автоматики.

Качество работы систем управления определяется двумя основными моментами:

1.  Техническим совершенством применяемых средств автоматизации.

2.  Эффективностью (профессионализмом) использования средств автоматизации.

Что касается первого момента, то основную заботу о нем проявляют производители средств автоматизации. Их очень стимулирует жесткая конкуренция рынка и, как следствие, потребитель автоматики имеет в настоящее время весьма широкий выбор технических средств передового уровня, способных соответствовать его требованиям.

Второй момент, который, в частности, включает в себя и настройку систем автоматики, является, несомненно, более проблематичным. Он осложняется присутствием человеческого фактора, что означает неизбежность различий в квалификации персонала, в применяемых способах настройки автоматики и, наконец, в самих представлениях о том, что такое хорошо настроенная система.

Привлечение к работе профессионально неподготовленного персонала в принципе лишает смысла постановку вопроса о качественной настройке автоматики. Поэтому речь дальше пойдет только о тех проблемах, которые представляют интерес именно для специалистов по наладке систем автоматизации.

Содержание таких проблем различно. Прежде всего, оно зависит от избранного подхода к выполнению работы. Так, например, профессионалы довольно часто полагаются на накопленный опыт и выполняют наладку систем автоматики путём экспериментального подбора параметров настройки регуляторов. Качественное выполнение такой работы требует неоднократного повторения опытов. На “медленных” (инерционных) объектах управления это приводит к значительным затратам времени, которые не всегда позволительны. Помехой работе зачастую оказывается недопустимость брака, возникающего в период наладки автоматики на действующем оборудовании. В таких обстоятельствах настройка регуляторов выполняется по сокращённому варианту, что, как правило, негативно отражается на её качестве.

Другой распространённый на практике подход к настройке систем авторегулирования, состоит в использовании какой-либо из существующих инженерных методик приближённого расчёта параметров регуляторов в замкнутых САР. В этом случае качество получаемого результата зависит от совершенства применяемой методики, от наличия особенностей у объектов управления и, наконец, от практического опыта и навыков, которыми располагает наладчик.

Практика показывает, что, в среднем, качество настройки регуляторов на основе инженерных методик может расцениваться как удовлетворительное. Это означает, что система авторегулирования оказывается вполне работоспособной, однако, затратив некоторое время, можно заметно повысить эффективность её работы.

В настоящее время настройка регуляторов по инженерным методикам столкнулась с дополнительной проблемой, которая возникла из-за существующих различий в программной реализации законов управления в цифровых регуляторах от разных производителей. В первую очередь это относится к ПИД закону. Последствия проявляются в том, что вычисленные по инженерным методикам параметры настройки совсем не одинаково подходят для регуляторов различных модификаций. На практике это вызывает непредвиденные затруднения.

Самым предпочтительным решением проблемы настройки цифровых регуляторов принято считать разработку и установку в программное обеспечение регуляторов функции автонастройки. Основное достоинство такого подхода вполне очевидно - сводится к минимуму влияние человеческого фактора. На сегодняшний день существует ряд вариантов реализации функции самонастройки для ПИД-регуляторов. Можно сделать некоторые выводы относительно их эффективности.

Опыт убеждает, что на текущий момент даже наиболее удачные варианты пока не в состоянии полностью снять с повестки дня проблему качественной настройки САР. Объясняется это сложностью разработки такого алгоритма самонастройки для ПИД-регуляторов, который был бы эффективен в системах управления объектами с различными динамическими свойствами. Сейчас лучшие варианты функции самонастройки эффективно «срабатывают» на узком классе объектов управления. Чаще всего это динамические объекты второго порядка с самовыравниванием. По-видимому, они считаются наиболее распространенными и берутся за основной ориентир при разработке алгоритмов самонастройки. На объектах управления с другой динамикой применение самонастройки приводит либо к слабому результату, либо вообще оказывается безуспешным. Особенно наглядно это проявляется в замкнутых системах с запаздывающими объектами управления, то есть с объектами, обладающими задержанной реакцией на воздействия регулятора (ОУ с транспортным запаздыванием).

Практическое использование функции самонастройки регуляторов обнаруживает ещё один проблемный момент. Дело в том, что все алгоритмы реализации функции предусматривают подачу на объект управления тестовых воздействий со стороны исполнительных органов системы авторегулирования. Как правило, это весьма резкие и глубокие воздействия. Для многих технологических объектов управления они просто небезопасны. В таких случаях использование функции самонастройки регуляторов становится невозможным.

Новым инструментом для качественной настройки регуляторов является метод масштабирования (ММ), описанный в работе [1]. Он дает возможность в значительной степени преодолеть вышеперечисленные трудности. Главная идея метода достаточно прозрачна – вычислять искомые параметры регулятора в настраиваемой (реальной) системе, используя известные из прошлого опыта данные о другой, хорошо настроенной (эталонной) системе с регулятором того же типа. Корректно реализованный метод масштабирования обеспечивает подобие динамических процессов в реальной и эталонной системах управления.

Математическая сторона ММ сводится к расчету искомых параметров настройки регуляторов по простым формулам. Исходными данными для выполнения расчётов служат сведения об эталонной САР, а также о реальном объекте управления. Данные об объекте определяются по кривой разгона (реакции объекта на воздействие регулятора в виде ступеньки). В этом проявляется сходство ММ с некоторыми инженерными методиками расчёта настроек регуляторов. По сути ММ и является новой инженерной методикой, практическая ценность которой целиком определяется её результативностью. Под этим подразумевается, во-первых, качество получаемого результата, во-вторых, удобство (простота) использования метода. Последнее напрямую связано с подготовкой исходных данных, что, как уже было сказано, требует сведений о кривой разгона объекта регулирования. Опыт применения ММ выявил важность достоверной информации о начальной реакции ОУ на управляющее воздействие. Поэтому при записи кривой разгона требуется аккуратность в период регистрации её начального участка. В то же время отсутствует необходимость записывать всю кривую разгона целиком. Это экономит время при работе с “медленными” объектами, а заодно снижает вероятность выхода управляемой величины за безопасные пределы. Проблема недопустимых тестовых воздействий на объект управления, (характерная для функций самонастройки), практически не возникает, т. к. регистрация кривой разгона выполняется под контролем наладчика.

ММ допускает различные варианты реализации. Они могут отличаться по виду используемой математической модели эталонного объекта управления и по составу требуемых исходных данных. В работе [1] представлен один из вариантов реализации ММ, успешно прошедший проверку на практике. В качестве исходных данных о реальном объекте управления он использует всего два параметра - То и Ко, которые без затруднений определяются по кривой разгона. Смысловое содержание параметров То и Ко поясняется рисунком 1.

Рис. 1. Кривые разгона объектов управления.

«а» - ОУ с самовыравниванием;

«b» - ОУ без самовыравнивания (астатический);

«1» - касательная.

Независимо от вида кривых разгона “а” и ”b” (см. рис.1) требуется провести касательную 1 и снять с графика значения То и Ко. ММ воспринимает их как параметры динамического звена с передаточной функцией:

(1)

ММ способен гарантировать высокое качество расчета настроек регулятора, если выявлены значения То и Ко, при которых реакция звена (1) хорошо совпадает с начальным участком кривой разгона реального объекта управления. Эффективным инструментом для быстрого определения значений То и Ко с требуемой для ММ точностью является программа визуальной аппроксимации -“VAP”, разработанная в НПП “ПОРА-USWO” (г. Самара). Программа “VAP” запрашивает экспериментальные данные о кривой разгона объекта и воспроизводит ее на дисплее. После этого она предоставляет пользователю возможность менять с помощью клавиатуры местоположение и угол наклона касательной. Каждому положению касательной соответствуют строго определенные значения параметров То и Ко, а следовательно, и однозначная реакция звена (1) на ступенчатый сигнал, которую программа рассчитывает и отображает ее на дисплее. Это позволяет пользователю визуально оценивать точность совпадения реакции звена (1) с кривой разгона реального объекта. Для количественной оценки совпадения программа вычисляет величину отклонения в каждой введённой точке кривой разгона, а также рассчитывает суммарную абсолютную ошибку по всем введённым точкам. Варьируя положением касательной, пользователь быстро находит вариант наиболее точной аппроксимации кривой разгона ОУ динамическим звеном (1), и сразу получает искомые параметры - То и Ко, которые требуются для ММ.

Практичность ММ становится более очевидной, как только приходит понимание, что вместо одной эталонной САР можно использовать набор (библиотеку) эталонных систем. Это позволяет значительно расширить полезные возможности метода.

Во-первых, возникает возможность выполнять настройку регуляторов с учётом требований (или пожеланий) технологов к характеру переходных процессов в настраиваемой САР. Поскольку ММ обеспечивает подобие процессов в эталонной и реальной системах управления, то следует иметь библиотеку эталонных САР с разным типом переходных процессов. Например, системы с апериодическими процессами, или с процессами, оптимальными по интегральной квадратичной оценке, с минимальным временем регулирования и др. Пользователю (технологу) будет предоставлен выбор типа процесса для своей системы из всех вариантов, предусмотренных в библиотеке. Этот выбор однозначно укажет, данные какой из эталонных САР следует принять в качестве исходных для ММ.

Во-вторых, использование библиотеки эталонных САР позволяет значительно расширить класс объектов, на которых ММ способен обеспечивать качественную настройку регуляторов.

Опыт показывает, что точность результата, получаемого с помощью ММ, повышается, если объекты управления в эталонной и настраиваемой САР близки по динамическим свойствам. Это означает, что достаточное разнообразие объектов управления в библиотеке эталонных САР способно обеспечить работоспособность ММ в большинстве практических приложений.

Заодно следует отметить, что ММ также успешно решает проблему настройки регуляторов на объектах с транспортным запаздыванием. Для этого библиотека эталонных САР должна быть дополнена набором систем, в которых объекты управления имеют различную величину запаздывания – tz. Наладчику достаточно оценить по экспериментальной кривой разгона реального объекта отношение tz / То (То - постоянная времени объекта), а затем выбирать из библиотеки эталонную САР с наиболее близким значением подобного отношения, чтобы использовать параметры именно этой САР в качестве исходных данных для ММ. Дальнейший расчет настроек регулятора по ММ выполняется так же, как на объектах без запаздывания.

В-третьих, расширением библиотеки эталонных САР можно сделать ММ универсальным, т. е. наделить ММ способностью определять настройки регуляторов, реализующих разные законы управления.

Основу для такой возможности создает одно важное достоинство ММ – его адаптируемость к различным законам управления. В качестве примера может служить успешный опыт использования ММ для настройки регуляторов с новым законом управления “USWO” [1][1]. Очевидно, чтобы сделать ММ универсальным, нужно дополнить библиотеку эталонных САР новыми комплектами. Для каждого закона управления – свой комплект эталонных САР.

Этот же подход позволяет решить с помощью ММ отмеченную выше проблему настройки ПИД-регуляторов с разной программной реализацией ПИД закона управления. Под каждую специфичную реализацию может быть создан отдельный комплект эталонных САР, который следует ввести в состав библиотеки. В результате ММ станет пригодным для настройки ПИД-регуляторов от любых фирм-производителей.

Несколько слов следует сказать о том, в каких формах было бы удобно применять ММ на практике.

В качестве основного варианта можно предложить разработку специализированной компьютерной программы. Например, под названием – «Расчет настроек регуляторов в замкнутых САР методом масштабирования». Такая программа должна содержать библиотеку эталонных систем и расчётный алгоритм метода. Сначала она запросит у пользователя данные об объекте управления (например, То, Ко, tz, определяемые по кривой разгона), затем уточнит тип используемого регулятора и предложит указать предпочтительный характер процессов в настраиваемой системе. После этого программа самостоятельно выполнит расчёт параметров настройки регулятора по ММ и сообщит готовый результат пользователю. Сократится время, затрачиваемое на пуско-наладку систем регулирования, повысится качество их настройки.

Такая программа окажется полезной как для предприятий, непосредственно использующих автоматику, так и для организаций, специализирующихся на разработке и внедрении систем автоматического регулирования и управления.

Можно также рекомендовать программу ММ предприятиям, изготавливающим и поставляющим контроллеры (регуляторы) на рынок средств автоматизации. Предложение регуляторов вместе с адаптированной программой ММ повысит интерес к производимой продукции и расширит круг ее потребителей.

Конечно важнее всего, если программа ММ принесет пользу специалистам отделов автоматизации на крупных и средних промышленных предприятиях, тепловых и атомных станциях, то есть тем, кто непосредственно связан с эксплуатацией технологической автоматики. Повышение качества работы систем управления, достигаемое в результате применения программы, способно содействовать:

·  Безопасности эксплуатации технологического оборудования;

·  Экономии потребляемого топлива и сырья;

·  Повышению качества выпускаемой продукции;

·  Увеличению сроков безаварийной работы производственных установок и агрегатов;

·  Сокращению затрат времени на обслуживание технологической автоматики;

При разработке программы ММ возникает ряд проблем. Две из них имеют первостепенное значение и определяют результативность разработки. Первая состоит в том, чтобы найти удачную реализацию расчётной части ММ. Вторая проблема связана с формированием состава библиотеки эталонных САР, а также с качеством данных по каждой из эталонных САР. Очевидно, что все допущенные погрешности в определении параметров эталонных САР будут всякий раз негативно отражаться на настройке регуляторов в реальных системах.

Опыт для успешной разработки программы ММ с адаптацией к регуляторам конкретных модификаций накоплен специалистами НПП “ПОРА-USWO” (г. Самара).

В качестве еще одной формы практического использования ММ можно предложить его установку непосредственно в программное обеспечение микропроцессорных регуляторах. Современные цифровые регуляторы располагают вполне достаточными для этого вычислительными и логическими ресурсами. Наличие программы ММ в памяти регулятора освободит наладчика от необходимости рассчитывать параметры настройки. Всё, что от него потребуется, это ввести в регулятор данные об объекте управления, взятые с кривой разгона. По ним регулятор самостоятельно рассчитает для себя параметры настройки. Таким образом, у микропроцессорного регулятора появится новая функция полуавтоматической настройки. Опыт применения такой функции дает основания полагать, что ей отдаст предпочтение подавляющее большинство пользователей.

Программа ММ была бы уместной в составе SCADA-систем. Ее использование на этапе пуско-наладки АСУТП обеспечило бы качественную настройку контуров регулирования, и сократило бы время исполнения работ. Следует отметить, что программа ММ в составе SCADA должна быть адаптирована ко всем типам контроллеров, использование которых предусматривает конкретная SCADA система.

В заключение можно рекомендовать изучение ММ на курсах целевой подготовки специалистов по системам промышленной автоматики. Полезным окажется включение ММ в учебные программы ВУЗов, выпускающих инженеров по специальности «системы автоматического регулирования и управления».

Литература.

1. Бажанов масштабирования для определения параметров настройки регуляторов в замкнутых САР. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2002. № 12.

[1] USWO аналогичен по назначению и области применения универсальному ПИД закону. Отличается простотой настройки и повышенным качеством процессов в замкнутых системах.