Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине "проектирование автоматизированных систем управления непрерывными технологическими процессами" Часть I (стр. 3 из 10)

и полагая

, и , можно записать соответствующую систему уравнений состояния:

Методы и идентификации объектов в действующих системах автоматического регулирования, изложенные, например, в [6, C.356-382] , основаны на анализе частотных характеристик замкнутых систем. Идентификация на действующих объектах проводится также с использованием методов псевдослучайных сигналов, синхронного детектирования, эталонной модели и др. Однако эти методы при выполнении КП не могут быть использованы из-за невозможности получения соответствующих экспериментальных данных в условиях выполнения учебной темы курсового проекта.

В технической литературе описаны различные методы определения коэффициентов передаточных функций дифференциальных уравнений объектов управления, их обычных и расширенных амплитудно-фазовых характеристик на основании переходных характеристик (кривых разгона), полученных экспериментально.

При определении коэффициентов передаточных функций объектов с самовыравниваем и чистым, запаздыванием, описываемых передаточной

функцией типа

(где К - коэффициент усиления объекта,

Т - постоянная времени,

- время чистого запаздывания), широкое

распространение получили метод, использующий расчетные соотношения, и метод касательных [7, с. I59-I60; 8, с. 113-117] . Однако эти методы очень неточны и пригодны лишь для качественной оценки коэффициентов передаточной функции либо дифференциального уравнения.

Более точно передаточную функцию регулируемого объекта по графику кривой разгона можно определить методом, предложенным М.П.Симою, Этот метод пригоден для аппроксимации любых переходных характеристик, имеющих график монотонной функции (для объектов с самовыравниванием и без самовыравнивания, с наличием чистого запаздывания и без него с передаточными функциями соответственно:

; ; ;

; .

Метод Симою подробно, с большим количеством примеров для всех перечисленных типов объектов и вспомогательных таблиц для выполнения расчетов изложен в [9, с. 80-91].

Коэффициенты дифференциального уравнения объекта управления определяют также путем аналогового моделирования [10]. С этой целью на аналоговой вычислительной машине (АВМ) набирается схема, cоответствующая предполагаемой структуре передаточной функции объекта (о которой судят по характеру кривой разгона). Методика аналогового моделирования, аналоговые модели типовых динамических звеньев подробно изложены в [ll]. Суть метода состоит в том, что путем подбора параметров модели добиваются полного совпадения экспериментальной кривой разгона с кривой переходного процесса исследуемой модели объекта при скачкообразном возмущающем воздействии. Окончательно установленные параметры модели с учетом масштабных коэффициентов и являются искомыми коэффициентами дифференциального уравнения объекта.

4. ОПТИМАЛЫЮЕ УПРАВЛЕНИЕ НЕПРЕРЫВНЫМИ ТЕХНОЛ0ГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

При разработке систем оптимального управления непрерывными технологическими процессами и производствами обычно выделяют три уровня задач оптимального управления, на каждом из которых используются специфические для данного уровня методы оптимизации.

На первом уровне решаются задачи оптимизации автономных процессов по технологическим критериям. На втором уровне выполняют оптимизацию стационарных режимов технологических процессов (аппаратов, агрегатов), а также целых комплексов таких процессов (технологических установок, технологических комплексов) по технико-экономическим критериям с учетом ограничений по ресурсам и показателям качества продукции. На третьем уровне принимаются сложные решения группой экспертов (экспертные системы) в масштабах всего производства на множестве критериев, зачастую противоречивые в условиях значительной неопределенности конъюнктуры рынка, с учетом факторов риска и т.д. Далее рассматриваются характеристики методов оптимизации первых двух уровней исходя из ограниченных возможностей решения проблемы в рамках курсового проекта.

В курсовых проектах студенты выполняют разделы по статической и динамической оптимизации технологических процессов.

В качестве критериев эффективности управления при оптимизации динамики переходных процессов в системах управления используются различные показатели качества переходных процессов (динамическое отклонение, перерегулирование, длительность переходных процессов, установившееся отклонение, интегральные оценки вида

где - рассогласование между заданным и текущим значениями переменной.

В соответствии с выбранным критерием эффективности для оптимизации динамики переходных процессов рассчитываются оптимальные параметры настройки регулятора либо регулирующего программируемого микропоцессорного контроллера [коэффициента усиления

, постоянной времени интегрирования и коэффициента дифференцирования передаточной функции пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора]

Другой возможный путь оптимизации переходного процесса-достижение требуемого характера переходного процесса в результате автоматического изменения структуры управляющей части системы в переходном процессе (синтез систем с переменной структурой).

Третье направление динамической оптимизации непрерывных технологических процессов - реализация методов теории оптимального управления (метод с использованием уравнения Эйлера, принцип максимума Понтрягина).

В теории автоматического управления разработаны различные инженерные методы расчета оптимальных параметров настроек пропорциональных (П), пропорционально-интегральных (ПИ), пропорционально-интегрально-дифференциальных регуляторов и программируемых регулирующих микроконтроллеров в [9, с. 227- 251], приведены расчетные формулы для определения оптимальных параметров настроек всех типов регуляторов [9, с. 249-251], описаны графоаналитические методы определения оптимальных параметров настроек регуляторов и приведено большое число примеров, таблиц и номограмм [9, с. 251-282] , описаны методы расчета оптимально настроек регуляторов двухконтурных систем управления [9. c.283-328].

В [7, с. 169-184] приводятся расчетные соотношения, графики и номограммы, позволяющие рассчитывать параметры настроек П, ПИ-, ПИД регуляторов непрерывного действия, а также релейных и импульсных регуляторов.

Указанные методы расчета трудоемки и требуют большого количества вычислений и графических построений. Наличие программ ЭВМ, реализующих указанные методы рассчета, позволяет существенно упростить процедуру расчета оптимальных параметров настроек регуляторов. Поэтому в качестве одного из индивидуальных заданий комплексного курсового проекта целесообразно предложить разработать программу расчета оптимальных параметров регулятора, реализующую один из указанных методов.

Динамическую оптимизацию технологических процессов можно осуществить путем изменения структуры управляющей части системы в переходном процессе. Для этого в структуру системы вводятся такие функциональные элементы, которые во время протекания процесса могут изменять знак обратной связи, включать или отключать звенья, реализующие интегральные или дифференциальные составляющие закона регулирования, скачкообразно изменять параметры настроек регуляторов,т.е. изменять структуру системы. В такой системе удается сочетать полезные свойства каждой из совокупности структур, а также получать новые свойства, не присущие ни одной из них (например, создание скользящего режима регулирования). Такие системы получили наименование систем с переменной структурой (СПС).

Рис.1

Синтез СПС производится методом фазового пространства. Скачкообразно изменяя параметры системы либо вводя дополнительные элементы в структуре управляющего устройства, можно добиться такого поведения системы, которое описывается различными фазовыми портретами в различных областях фазового пространства. На рис. 1 показан пример того, как в результате "сшивания" в определенной последовательности участков неустойчивых траекторий удается получить устойчивое движение (скользящий режим) для любых начальных условий.