Статья журнала "Промышленные АСУ и контроллеры" №4 2003 г:

Адаптация стандартных регуляторов к условиям эксплуатации в промышленных системах регулирования

проф. Штейнберг Ш. Е. д. т. н.,
Залуцкий И. Е. к. т. н.

Адаптация стандартных регуляторов к условиям эксплуатации в промышленных системах регулирования. (pdf, 288 Кб) - версия статьи для сохранения на компьютер.
Для просмотра PDF-файла не нужно ничего, кроме самого файла и бесплатной программы Acrobat Reader

Рассматриваются постановка и методы адаптации действующих систем регулирования к характеристикам объектов, изменяющимся в процессе эксплуатации.

Введение, актуальность задачи.

Значительная часть времени персонала, эксплуатирующего системы регулирования, расходуется на обнаружение и устранение технических неисправностей и настройку параметров регулирующих устройств. Необходимость перенастройки параметров обусловлена многими причинами, связанными с изменениями характеристик объекта. Эти изменения, в свою очередь, обусловлены изменениями нагрузки, свойств подаваемых на переработку обрабатываемых материалов, сырья и энергоносителей. Причиной указанных изменений часто является и работа других контуров регулирования, связанных с рассматриваемым контуром через объект.

Иллюстрацией сказанного может служить, например влияние изменения нагрузки, которое всегда связано с изменением положения регулирующего органа. У регулирующих органов разных типов - шиберов, заслонок, задвижек - наклон типичных рабочих характеристик может изменяться в 2-3 раза при различных положениях. При этом соответственно, в 2-3 раза меняется и коэффициент усиления объекта, и примерно во столько же раз при этом следует изменять коэффициент пропорциональности регулятора. Весьма существенно влияние на настройку регулятора при различных положениях регулирующего органа оказывают и такие его характеристики, как гистерезис, мёртвый ход, выбег и т.п. Существенные причины для изменения настроек в процессе эксплуатации возникают также вследствие влияния соседних контуров в многомерных системах и из-за изменения свойств сырья, энергоносителей, перерабатываемых материалов.

Эксплутационный персонал, чтобы избежать частых перенастроек регуляторов стремится установить по возможности «слабые» настройки, обеспечивая устойчивость системы регулирования при различных режимах работы объекта. Естественно, при этом приходится жертвовать характеристиками качества системы регулирования. Во всех режимах, кроме наиболее неблагоприятных, время переходных процессов, отклонение регулируемой переменной и другие характеристики качества ухудшаются.

Поэтому получившие широкое освещение в литературе методы расчёта параметров регуляторов по математической модели объекта, полученной путём идентификации параметров модели в разомкнутой системе регулирования (с отключённым регулятором), могут дать только весьма приближённые исходные настройки. В свете сказанного наивными для промышленных условий представляются и многочисленные предложения, связанные с возможностью «усиления» параметров регуляторов с помощью ввода в систему регулирования разного рода предикторов (предсказателей, упредителей, в том числе упредителя Смита), использующих постоянную модель объекта. При изменениях параметров объекта «сильные» настройки способствуют приближению системы к границе устойчивости и выходу за её пределы. Таким образом, дополнительные элементы, позволяющие с помощью использования модели улучшить качество путём «усиления» регулятора, без учёта изменений в объекте снижают характеристики запасов устойчивости системы. Для использования этих элементов необходимо в первую очередь добиться нужной точности изменяемой модели и адаптации к ней всех устройств управления, включая и регулятор и предиктор.

Даже для достижения качества регулирования, доступного стандартному регулятору без предикторов, нужно в процессе эксплуатации иметь информацию об изменениях характеристик объекта или замкнутой системы из-за изменений в объекте.

В специальной литературе время от времени появляются статьи и рекламные предложения, связанные с применением регуляторов со специальной структурой - регуляторов с нечёткой логикой, регуляторы с переменной структурой и т.д. К сожалению, эти предложения, как и ранее упомянутые, в подавляющем большинстве случаев направлены на улучшение качества переходного процесса для объектов с постоянными параметрами. Нам же представляется, что для промышленных условий значительно более актуальна задача перестройки параметров стандартных регуляторов при изменяющихся характеристиках объекта. Актуальность решения этой задачи, разумеется, с учётом надёжности функционирования алгоритмов и необходимой простоты эксплуатации, позволит получить в современных промышленных условиях большую пользу от улучшения качестве управления и стабилизации производственных процессов, чем дальнейшее углубление исследований, обеспечивающих улучшение качества на объектах с постоянными параметрами. Следует ожидать, что решение задачи адаптации системы к изменяющимся характеристикам объекта позволит расширить возможность использования на практике и алгоритмов с предсказателями, благодаря уточнению модели в процессе эксплуатации.

Адаптации регулятора к изменяющимся характеристикам объекта сопряжена с двумя основными задачами:

• задачей диагностирования изменений характеристик объекта;
• задачей идентификации модели объекта в работающей системе регулирования.

Если эти задачи решены, то при настройке применяются методы, предназначенные для объектов с постоянными параметрами.

Очень часто решение этих задач в промышленных условиях осложнено теми или иными условиями эксплуатации технологического оборудования и работы персонала. Например, на многих технологических процессах не допускаются дополнительные активные воздействия на системы регулирования. Эти сложности приводят к тому, что далеко не все теоретические схемы оказываются применимыми на практике, что делает необходимым формулировать специальные требования «приживаемости» адаптивных устройств в эксплуатации.

Методы настройки замкнутых систем регулирования

Обязательна ли численная идентификация моделей объекта для настройки действующих систем регулирования?

Для настройки регулятора в одноконтурной системе не обязательно знать численные значения параметров модели регулируемого объекта. Полезно обратить внимание на поведение опытных наладчиков систем регулирования: часто параметры настройки, близкие к оптимальным, они устанавливают на основе характера переходных процессов в системе. Никаких дополнительных возмущений при этом в систему не подаётся. Наладчик изменяет настройки регулятора, наблюдая только за регулируемой переменной и в некоторых случаях за поведением исполнительного механизма.

Таким образом, наряду с методами, использующими идентификацию моделей объекта [2], обычно используемыми при построении алгоритмов адаптации, можно выделить ещё одну группу методов настройки. Для расчёта параметров регулятора в этой группе не используются численные значения параметров модели объекта. В качестве исходной информации для оптимизации параметров регулятора служит характер переходного процесса в замкнутой системе регулирования, расчёт параметров модели объекта не проводится. В [1] эта группа получила название «практические способы оптимальной настройки регуляторов». Эту группу методов будем называть в дальнейшем АЗС - методы адаптации по процессу в замкнутой системе. Методы адаптации, построенные на основе расчёта параметров модели (идентификации) будем называть АИМ – методы адаптации с идентификатором модели объекта.

Заметим, что использование идентификатора для адаптации (АИМ) - весьма перспективное направление построения адаптивных систем. Для сложных систем регулирования (каскадные, многоимпульсные, связанные и несвязанные многомерные системы и т.п.) принять решение даже о направлении изменения параметров управляющих устройств по виду переходных процессов оказывается трудной задачей с многозначным решением. Тем более сложно определение численных значений. Однако по высказанным выше соображениям для приживаемости адаптивных устройств идентификация объектов должна выполняться в замкнутой системе без вмешательства в процессы, по результатам нормальной эксплуатации.

Среди специалистов бытует мнение о невозможности использования методов идентификации для определения параметров объектов в замкнутых системах, то есть о неидентифицируемости объекта в замкнутых системах. Однако в специальных исследованиях было показано, что неидентифицируемость параметров в замкнутых системах весьма редкое явление для обычно используемых в практике автоматизации видов моделей. Наличие запаздывания в объекте и использование параметрических методов практически снимает проблему неидентифицируемости даже при наличии ненаблюдаемых шумов. Эти результаты приведены, например, в [3].

Модуль адаптации для ПИ – регулятора

В ЦНИИКА была проведена работа, в которой использованы и, в некотором смысле, формализованы действия наладчиков систем регулирования при перестройке параметров ПИ – регуляторов по характеристикам переходных процессов в замкнутой системе. Ниже приведены основные принципы алгоритмизации модуля адаптации (МА) для ПИ регулятора.

Вначале предполагалось провести разработку МА в виде двух ветвей алгоритма, одна из которых (АИМ) выполняет идентификацию объекта, используя переходный процесс, автоматически обнаруживаемый алгоритмом. Этот же процесс используется второй ветвью программы для работы в режиме адаптации замкнутой системы (АЗС). Далее алгоритм выбирает из двух решений более осторожное, или, при противоречивости результатов работы двух ветвей, отказывается от изменения настроек регулятора. Разумеется, для работы ветви АИМ необходим переходный процесс не только по регулируемой, но и по управляющей переменной. В ходе исследований, проведенных при разработке, оказалось, что для одноконтурных систем нет необходимости в работе ветви АИМ. Ветвь АЗС надёжно обеспечивала перенастройку регулятора. Поэтому в варианте алгоритма для одноконтурных систем ветвь АИМ может быть изъята.

Требования к алгоритмам МА

При разработке модуля адаптации МА была поставлена задача создания метода, который не требует каких-либо специальных активных воздействий на систему регулирования. Вмешательство МА в процессы регулирования должно выполняться только изменением параметров регулятора, и всегда так, чтобы не ухудшить характеристики замкнутой системы. МА должен распознавать вид возмущения, и анализировать характер возникшего переходного процесса только по данным реакций на воздействия, поступающие в систему в режиме нормальной эксплуатации. Воздействия на настройки осуществляются только при появлении динамических отклонений переменной, выходящих за некоторые заданные пределы. Если процесс не соответствует диапазону заданных характеристик качества, параметры регулятора следует изменять, но так, чтобы не перейти их оптимальных значений при текущих параметрах объекта. Одно из основных требований к алгоритмам МА состояло в стремлении выполнить при её эксплуатации постулат Эскулапа – не навреди.

Перечислим некоторые важные для эксплуатации особенности алгоритмизации и требования, предъявляемые к МА.

• Автоматически выбрать среди флуктуаций регулируемой переменной переходный процесс, приближённо являющийся реакцией системы на изменение нагрузки или задания (в дальнейшем рабочий переходный процесс -РПП).
• Автоматически принять решение о необходимости перенастройки без использования активных методов воздействия на объект, т.е. без размыкания системы (выключения регулятора), подачи специальных тестовых изменений настроек регуляторов или дополнительных тестовых возмущений.
• Работа МА должна выполнятся только по информации о значении регулируемой переменной, подаваемой на вход регулятора.
• В алгоритмах МА должна учитываться возможность дополнительных помех (случайных воздействий), поступающих в систему на протяжении РПП.
• Перенастройка регулятора возможна только в случае, если отклонение регулируемой переменной превзошёл норму, характерную для нормальной работы контура регулирования. При этом характер переходного процесса не отвечает требованиям качества, предъявляемым к системе.

Основные трудности при разработке МА встретились при решении следующих задач.

• Выбор параметров (характеристик) РПП, определяющих качество системы регулирования. Основными составляющими этих параметров приняты отрезки времени, характеризующие отношения ординат регулируемой переменной.
• Экспериментальное определение зависимостей между параметрами переходного процесса и значениями приращений параметров настройки, обеспечивающих качество регулирования, близкое к оптимальному для различных моделей регулируемых объектов. Аппроксимация найденных зависимостей аналитическими соотношениями.

Моделирование работы МА и практический опыт

Для моделирования поведения МА создана специальная программа, позволяющая в графической форме в текущем времени совместить процессы изменения регулируемой переменной в системе с ПИ – регулятором с постоянной настройкой и регулятора с модулем адаптации, изменяющего настройки. Фрагменты работы этой программы приведены на рисунках 1 и 2.

Рис1. Процесс регулирования. Характеристики объекта изменяются в направлении уменьшения запаса устойчивости.	Рис2. Процесс регулирования. Характеристики объекта изменяются в направлении увеличения запаса устойчивости.

В прилагаемой таблице приведены подаваемые в систему внешние воздействия и изменения параметров объекта, которые осуществляются в обозначенные в таблице моменты времени. Общая продолжительность записи на рисунках - 60 сек. На обоих рисунках параметры модели объекта вначале (3 раза на 8, 14, 28 сек) варьируются так, что запас устойчивости системы с регулятором с постоянными настройками изменяется в одном направлении. В дальнейшем эти параметры за 2 шага (на 38 и 48 сек) возвращаются к исходным значениям. Различные внешние возмущения по нагрузке и заданию подаются после изменения параметров модели. Процессы на рис 1 отображают поведение регулируемой переменной при изменении параметров модели в сторону снижения запаса устойчивости системы. В процессах на рис 2 запас устойчивости системы с регулятором с неизменными настройками, наоборот, увеличивается в соответствии со значениями, также приведёнными в таблице.

Воздействия (Рисунки 1 и 2)
Время	5	10	15	30	40	50
Вход объекта	→1	1→	0	0→	1→	0
Выход объекта	0	0	0	0	0	0
Задание	0→	0,8	0,8→	0	0	0
Изменения параметров модели объекта (Рисунок 1)
Время	8	14	28	38	48
Коэффициент усиления	1→	2	2→	1	1
Запаздывание	→1	1→	2	2→	0,5
Постоянная времени	0,8→	1	1	1→	0,8
Изменения параметров модели объекта (Рисунок 2)
Время	8	14	28	38	48
Коэффициент усиления	1→	0,3	0,3→	1	1
Запаздывание	→0,2	0,2→	0,1	0,1→	0,5
Постоянная времени	0,8→	1	1	1→	0,8

Стрелки в таблице соответствуют изменению внешних воздействий и параметров модели объекта. В приведённых экспериментах использована модель первого порядка с запаздыванием, (начальные параметры в таблице приведены в столбцах - 48 сек). Установленные исходные параметры ПИ – регулятора: коэффициент передачи Кр = - 0.55, время интегрирования Ти = 0.6 сек (в соответствии с рекомендациями [1]). Эти параметры являются исходными для регулятора с модулем адаптации, в контуре регулирования без адаптации эти параметры неизменны. На объект и в измерения введён шум с нормальным распределением с нулевым средним, ограничение амплитуды шума на входе объекта 0.2, в измерениях 0.02.

Промышленные испытания регулятора с модулем адаптации проведены НПО «Техноконт» совместно с авторами в 2002 году. Испытания проведены на системах автоматического регулирования теплофикационных теплообменников – на регуляторах температуры воды, подаваемой на теплоснабжение коммунальных потребителей. Существенные изменения характеристик объекта обусловлены большими изменениями нагрузки в разное время суток. Эти изменения усугубляются переключениями теплоснабжающих агрегатов, работающих на общую магистраль. После установки модуля адаптации за время наблюдения (в общей сложности около пяти суток) у регулятора несколько раз менялись параметры настройки, обеспечивая близкие к оптимальным процессы регулирования. Испытания были остановлены по организационным причинам, не связанным с работой регулятора с модулем адаптации.

Сотрудниками НПО «Техноконт» совместно с авторами рабочая часть программы преобразована в инструментальную программу «АБВ», которая используется заказчиками НПО «Техноконт» для пересчёта параметров регулятора по записи переходного процесса с произвольными настройками в замкнутой системе регулирования.

Есть существенные различия в требованиях и, следовательно, алгоритмах МА и «АБВ». Эти различия объясняются тем, что МА должна работать только в автоматическом режиме, в то время как использование «АБВ» предполагает участие человека при вводе реализаций. Ещё одно важное различие состоит в том, что МА не обязательно должна перейти к оптимальным параметрам регулятора за один шаг перенастройки, для «АБВ» это более важно. Поэтому в МА проявляется большая осторожность в перестройке параметров, чем в алгоритмах «АБВ».

Заключение

Сформулируем кратко соображения авторов, высказанные в этой статье.

• Для промышленных условий наиболее эффективный путь улучшения характеристик работоспособности и повышения качества регулирования в системах со стандартными регуляторами состоит в применении для этих целей специальных модулей адаптации (МА), алгоритмы которых определяются принципом «не навреди». Под этим принципом понимается проведение адаптации без дополнительных воздействий на работу систем регулирования и необходимая осторожность при перенастройке, исключающая возможность ухудшения качества из-за действий МА.
• Отрицательные результаты эксплуатации различных адаптивных устройств в промышленных условиях во многих случаях объясняются использованием в алгоритмах для уточнения характеристик системы или объекта активных методов воздействия на объект. Эти дополнительные тестовые воздействия на некоторых объектах технологически недопустимы, на других вызывают неблагоприятную реакцию операторов. Поэтому активные действия адаптивных устройств часто приводят к отключению адаптивных алгоритмов. Таким образом, дуальное управление [4], которое состоит в одновременном выполнении актов управления и идентификации объекта, и даже оптимальное с точки зрения заданного показателя качества при неизвестных или изменяющихся параметрах модели, оказываются неприемлемыми для промышленных условий и неприживаемыми.
• Создаваемые алгоритмы адаптации не должны использовать активных воздействий по нагрузке или заданию, независимо от используемых методов. Вся необходимая для модуля адаптации (МА) информация, как для методов адаптации модели (АИМ) так и для адаптации замкнутой системы (АЗС), должна быть получена в режиме нормальной эксплуатации при работе замкнутой системы.

Приведём также другие, важные для приживаемости, требования к этим алгоритмам:

• невмешательство в работу системы, если её качество удовлетворяет требованиям технологии;
• изменение настроек должно осуществляться осторожно и не приводить даже к временному ухудшению качества работы системы;
• работа адаптивных устройств должна выполнятся в автоматическом режиме, не требуя регулярного вмешательства эксплуатационного персонала.

Для одноконтурных систем регулирования возможно использование методов адаптации по виду переходного процесса регулируемой переменной (АЗС), для более сложных систем для адаптации целесообразно использовать адаптивные алгоритмы с идентификацией (АИМ). В этом случае потребуется обработка как регулируемых переменных, так и управляющих воздействий (положений исполнительных устройств).

В статье приведены результаты моделирования поведения модуля адаптации для ПИ – регулятора, построенного на алгоритме АЗС. Результаты моделирования для сильно изменяющихся характеристик объекта при различных возмущениях, поступающих в систему, подтвердили работоспособность предложенных алгоритмов адаптации. Успешно проведены промышленные испытания.

Важно подчеркнуть, что комбинирование в модуле адаптации двух основных алгоритмов, описанных в статье – АИМ и АЗС, позволяет удовлетворить потребности разных пользователей – наладчиков, прибористов, операторов и других, нагружая соответственно систему разными функциями – адаптации, настройки, расчета контура, анализа его динамики и т.д.

Авторами проработаны также вопросы применения методов адаптации и настройки для многоконтурных и многосвязных систем. Эти разработки будут описаны в статье, подготавливаемой к печати.

Авторы выражают глубокую благодарность сотрудникам НПО «Техноконт» Л.П. Серёжину, И.Г. Варламову, Я.П. Фискину, А.В. Дьякову за проявленную инициативу и разработку драйверов связи с действующей системой регулирования, что и позволило провести испытания в промышленных условиях программной реализации алгоритма АЗС: модуля адаптации МА и программы настройки «АБВ».

Авторы выражают также искреннюю признательность А.И. Корнеевой, О.С. Соболеву, А.Я. Серебрянскому, по инициативе которых написана эта статья.

ЛИТЕРАТУРА

1. Оппельт В. Основы техники автоматического регулирования. М.: Госэнергоиздат, 1960, 605 стр
2. Zigler J.G. and Nichols N.B. Optimum settings for automatic Controller. Trans. ASME 1942 № 64 s 759
3. Штейнберг Ш.Е. Идентификация в системах управления. Энергоатомиздат Москва 1987, 80 стр
4. Фельдбаум А.А. Основы теории оптимальных автоматических систем. М.: Физматгиз, 1963, 623 стр.