RU2243584C2 - Способ оптимальной автоматической настройки системы управления - Google Patents

Способ оптимальной автоматической настройки системы управления Download PDF

Info

Publication number
RU2243584C2
RU2243584C2 RU2003107863/09A RU2003107863A RU2243584C2 RU 2243584 C2 RU2243584 C2 RU 2243584C2 RU 2003107863/09 A RU2003107863/09 A RU 2003107863/09A RU 2003107863 A RU2003107863 A RU 2003107863A RU 2243584 C2 RU2243584 C2 RU 2243584C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
parameters
beg
derivative
optimal
determined
Prior art date
Application number
RU2003107863/09A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2003107863A (ru
Inventor
А.М. Шубладзе (RU)
А.М. Шубладзе
ев С.В. Гул (RU)
С.В. Гуляев
А.А. Шубладзе (RU)
А.А. Шубладзе
Original Assignee
Шубладзе Александр Михайлович
Гуляев Сергей Викторович
Шубладзе Александр Александрович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Шубладзе Александр Михайлович, Гуляев Сергей Викторович, Шубладзе Александр Александрович filed Critical Шубладзе Александр Михайлович
Priority to RU2003107863/09A priority Critical patent/RU2243584C2/ru
Publication of RU2003107863A publication Critical patent/RU2003107863A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2243584C2 publication Critical patent/RU2243584C2/ru

Links

Images

Landscapes

  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области систем автоматического управления. Технический результат заключается в повышении качества регулирования и увеличении помехозащищенности. При выполнении оптимальной автоматической настройки системы управления осуществляют перевод ее в разомкнутый режим, на вход объекта подают пробный ступенчатый сигнал с настраиваемой амплитудой и полярностью, определяют характерные точки переходного процесса, по которым с помощью вспомогательных функций определяют параметры принятой модели объекта управления и осуществляют оптимальную настройку регулятора по критерию максимальной степени устойчивости. 5 ил.

Description

Изобретение относится к области автоматического управления и регулирования и может быть использовано в системах регулирования технологических параметров в металлургической, химической, энергетической, нефте- и газоперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности.
Известны способы настройки параметров регулятора с идентификатором, включающие идентификацию объекта управления путем подачи на объект возмущающих воздействий определенного вида, например ступенчатых, с фиксацией реакции объекта на эти возмущения, расчет оптимальных параметров настройки регулятора по полученной динамической модели объекта и сравнение найденных параметров с уже установленными ранее, причем, если сравниваемые параметры отличаются, то устанавливают вновь найденные параметры настройки и повторно проводят идентификацию объекта, а если нет, то процесс коррекции параметров прекращают и переводят систему в рабочий режим.
Недостатком известного метода является использование моделей с недостаточным числом параметров, которые не учитывают всех свойств объекта, что приводит к установке не соответствующих объекту настроек и, как следствие, плохому качеству управления.
Известны также способы самонастройки, основанные на классическом методе Циглера-Никольса [1] и его модификациях. Суть этих способов состоит в том, что замкнутая система вводится в колебательный режим, определяются значения критического коэффициента усиления Ккр и критического периода колебаний Ткр. Затем, в соответствии с [1] определяются оптимальные настройки для типовых линейных регуляторов, выраженные через Ккр и Ткр
для П регулятора
Figure 00000002
для ПИ регулятора
Figure 00000003
для ПИД регулятора
Figure 00000004
Способы определения Ккр и Ткр могут быть различными. В [1] Ккр определяется путем вывода системы на границу устойчивости при варьировании коэффициента усиления регулятора. В [2, 3] система переводится в режим двухпозиционного регулирования, при котором в системе возникают автоколебания с параметрами, используемыми для настройки регулятора. В [4] на вход объекта подается пробный гармонический сигнал с изменяемой частотой колебаний. Частота колебаний выбирается так, чтобы обеспечить критическую частоту объекта, при которой фазовый сдвиг между входом и выходом равен 3,14 рад.
Недостатком этих способов самонастройки является длительность процесса идентификации, связанная со статистическим анализом нескольких периодов автоколебаний. Для повышения точности определения Ккр и Ткр может потребоваться несколько итераций, что также затягивает процесс самонастройки. Метод не подходит для объектов, динамические характеристики которых зависят от знака ошибки регулирования. К таким объектам относится, например, широкий класс тепловых объектов (печи, нагреватели, стерилизаторы и т.д.), для которых процессы нагрева и охлаждения могут иметь совершенно разные характеристики и требуют разных настроек регулятора для нагрева и охлаждения. В рассматриваемых методах параметры автоколебаний усредняются по положительным и отрицательным полуволнам и в результате определяются некоторые средние значения настроек, не соответствующие ни процессу нагрева, ни процессу охлаждения. Во всех рассматриваемых методах после определения двух параметров Ккр и Ткр используются формулы Циглера-Никольса для расчета настроек регулятора. Эти формулы носят эмпирический характер и рассчитаны на объекты с отношением τ /Т от 0 до 0,3, поэтому они не гарантируют качественное управление для объектов с большим запаздыванием. Кроме того, в случае ПИД регулятора три настройки К, Ти, Тд определяются всего по двум параметрам Ккр и Ткр, что указывает на неадекватность полученных настроек реальному объекту управления.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ самонастройки регулятора [5]. В этом способе система управления переводится в разомкнутый режим, на вход объекта, описывающегося передаточной функцией
Figure 00000005
Ко - коэффициент усиления объекта,
T1, T2 - постоянные времени инерционных звеньев,
n - порядок инерционного звена,
τ - запаздывание,
подается пробное ступенчатое воздействие, измеряются параметры переходного процесса, по ним определяются параметры Ко, T1, T2, τ , n принятой модели объекта управления и, наконец, по параметрам принятой модели определяются оптимальные настройки регулятора.
Недостатком описанного способа является, во первых то, что из пяти параметров Ко, T1, T2, τ , n принятой модели объекта по кривой переходного процесса определяется только часть этих параметров. Например, заранее принимается n=0 и определяются К0 T1, T2, или принимается n=1, τ =0 и определяются Ко, T1, T2, или принимается n=1 и определяются Ко, T1, T2 τ и т.д. Во вторых, для принятой модели используются n небольшого порядка (n≤ 4) причем само значение n не определяется по кривой переходного процесса, а задается априорно. В третьих, в качестве критерия оптимальности принимается минимум среднеквадратичной ошибки регулирования. Переходные процессы в системах, настроенных по этому критерию, имеют достаточно малую ошибку регулирования и приемлемое время переходного процесса. Однако сама система, настроенная по этому критерию, может находиться близко к границе устойчивости. Поэтому при ошибках идентификации параметров модели неизбежно возникающих из-за шумов или изменения собственных параметров реального объекта управления в процессе его функционирования, найденные по этому критерию настройки регулятора могут не обеспечивать требуемое качество управления или даже выводить систему за границу устойчивости.
Целью изобретения является повышение качества регулирования и увеличение помехозащищенности.
Предлагаемый способ автоматической оптимальной настройки системы управления заключается в переводе замкнутой системы управления в разомкнутый режим, подаче пробного сигнала на вход объекта, измерении параметров переходного процесса, определении по ним параметров принятой модели объекта управления, определении по параметрам модели оптимальных параметров настройки регулятора и переводе системы с оптимальными параметрами настройки в рабочий режим. Причем в качестве пробного сигнала используется ступенчатый сигнал с настраиваемой амплитудой и полярностью. Модель объекта управления принимается в виде
Figure 00000006
Ко - коэффициент усиления объекта;
T1, T2 - постоянные времени инерционных звеньев;
n - порядок инерционного звена.
В качестве измеряемых параметров переходного процесса, вызванного пробным сигналом, используются максимальное значение производной выхода объекта и момент времени его достижения, момент времени достижения производной определенной доли от максимального значения производной, а также момент времени, в который значение производной выхода объекта уменьшается до определенной доли от максимального значения производной. Параметры модели Ко, n, T1 и Т2 определяются по указанным параметрам переходного процесса с помощью вспомогательных функций F1 F2 F3 F4, описанных ниже. По параметрам модели Ко, n, T1 и T2 определяются настройки регулятора, оптимальные по критерию максимальной степени устойчивости.
На фиг.1 изображена принципиальная блок-схема, поясняющая предлагаемый способ оптимальной самонастройки системы управления; на фиг.2 изображен переходной процесс, вызванный пробным ступенчатым сигналом и характерные точки, используемые для идентификации; на фиг.3 - семейство кривых производных переходных процессов в объектах (5) при различных значениях n; на фиг.4 - вспомогательная функция f1, служащая для определения n; на фиг.5 - процессы управления реальным тепловым объектом.
Рассмотрим предлагаемый способ более подробно. Система управления переводится в разомкнутый режим (ключ R1 размыкается), одновременно на вход объекта подается пробный ступенчатый сигнал настраиваемой амплитуды и полярности Δ u(t) (ключ R2 замыкается). Амплитуда сигнала выбирается минимально возможной, но чтобы при этом можно было распознать реакцию объекта на фоне шумов. Настраиваемая полярность пробного сигнала позволяет определить параметры объекта отдельно для изменения выхода в положительном и отрицательном направлениях, что позволит получить более адекватные настройки регулятора (фиг.1).
Модель (5) отличается от модели (4) отсутствием запаздывания, однако это практически не сужает область ее применения, так как увеличивая степень n и подбирая соответствующее T1 можно достаточно хорошо аппроксимировать запаздывание.
Пробный сигнал вызывает переходной процесс, определяются значения оценки производной выхода объекта dx(t)/dt, которые запоминаются и анализируются. В рассматриваемом варианте реализации способа оптимальной автоматической настройки системы управления в качестве характерных информативных точек используются
- момент достижения максимума производной Тmах,
- максимум производной
Figure 00000007
,
- момент Tbeg достижения производной уровня 5% от А,
- момент Tend спада производной до уровня 70% от А (фиг.2).
Выбор 5% и 70% уровней в качестве определенных долей от максимума производной основан на результатах моделирования поведения объекта (5). При выборе таких значений уровней увеличивается точность определения параметров модели и повышается помехозащищенность.
На фиг.3 приведено семейство кривых производных переходных процессов, полученных в результате моделирования объекта (5) при различных n с нормированием по величине максимума производной.
Анализ этих кривых и соответствующих им характерных точек Tbeg и Тmах показывает, что величина Tbeg/(Тmах-Tbeg) не зависит от Ко, слабо зависит от T1 и T2 и может служить для оценки параметра n. Функциональная зависимость n от Tbeg/(Tmax-Tbeg), обозначенная F1, приведена на фиг.4.
Аналогично, величина Tbeg не зависит от Ко, слабо зависит от Т2, но зависит от T1 и n. Поскольку оценка n уже получена, можно с помощью функциональной зависимости T1 от Tbeg и n, обозначенной F2, получить оценку T1.
Далее, величина (Tend-Tmax)/T1 находится в функциональной зависимости с T2 и n. Поэтому с помощью функциональной зависимости Т2 от (Tend-Tmax)/T1 и n, обозначенной F3, можно получить оценку T2.
Наконец, с помощью F4 - функциональной зависимости К0 от n, T1, T2 и значения амплитуды пробного сигнала d получаем оценку Ко.
Функциональные зависимости F1, F2, F3, F4 получены по результатам моделирования переходных процессов в объектах, описываемых моделью (5). Они позволяют по характерным информативным точкам последовательно находить оценки n* , T1 * , Т2 * , Ко * параметров n, T1, Т2, Ко модели (5).
n* =F1(Tbeg/(Tmax-Tbeg))
T1 * =F2(Tbeg, n* )
Figure 00000008
Ko * =AT2 * F4(T1 * , T2 * , n* )/d
Figure 00000009
где
Figure 00000010
- целая часть числа
Figure 00000011
, х=Tbeg/(Tmax-Tbeg),
Figure 00000012
Figure 00000013
где
Figure 00000014
Figure 00000015
где
Figure 00000016
Полученные оценки параметров модели можно пересчитать в оптимальные по степени устойчивости настройки ПИ, ПИД регуляторов. В [6] изложена методика, следуя которой можно получить формулы оптимальных по степени устойчивости настроек различных регуляторов. Для модели (5) оптимальные настройки имеют следующий вид (для удобства записи в приведенных ниже формулах знак оценки - * отсутствует):
для ПИ регулятора
K=-(-T1I+1)n-1((n+2)T1T2I2-((n+1)T1+2T2)I+1)K -1 o ,
Ти=-(T1I+1)-n(T2I2-KI)-1KKo,
I=-0.5(-b+(b2-4ac)0.5)a-1,
a=(n+1)(n+2)T 2 1 T2,
b=(n+1)(nT1+4T2)T1,
c=2(nT1+T2),
для ПИД регулятора
K=Kp,
Ти=K/Ki,
Тд=Kd/K, где
Kd=-0.5(-T1I+1)n-2((n+1)(n+2)T 2 1 T2I2-(n+1)(nT1+4T2)T1I+2(nT1+T2))K -1 o ,
Kp=-((-T1I+1)n-1((n+2)T1T2I2-((n+1)T1+2T2)I+1)-2KdKoI)K -1 o ,
Ki=-((-T1I+1)n(T2I-1)IK -1 o +KdI2-KpI),
I=0.5T -1 1 +0.25T -1 2 , при n=2
I=-0.5(-b+(b2-4ac)0.5)a-1, при n>2
a=n(n+1)(n+2)T 3 1 T2,
b=n(n+1)((n-1)T1+6T2)T 2 1 ,
c=3n((n-1)T1+2T2)T1,
где К, Ти, Тд - параметры настройки ПИ-, ПИД-регулятора;
I - степень устойчивости замкнутой ПИ (ПИД) - системы управления;
Kd, Kp, Ki, a, b и с - вспомогательные промежуточные параметры.
В качестве критерия оптимальности используется критерий максимальной степени устойчивости. Оптимальные настройки К, Ти, Тд обеспечивают максимальное значение степени устойчивости
I=-min max Reλ i(K, Tи, Тд),
K, Tи, Тд i=1,... ,n+2
где λ i (К, Ти, Тд) - корни характеристического полинома замкнутой системы с объектом (5) и ПИД регулятором.
Степень устойчивости - это расстояние от мнимой оси до крайнего правого корня характеристического полинома замкнутой системы управления [6]. Оптимальным настройкам соответствует максимальное значение этой величины. Система, настроенная по этому критерию, обладает свойством "робастности" или "грубости" к возможному изменению параметров объекта. При изменении параметров объекта или их неточном определении из-за неизбежных шумов система управления не потеряет устойчивости, что чрезвычайно важно для всех промышленных систем или технологических процессов. В то же время, переходные процессы в системе управления определяются преимущественно правыми корнями характеристического полинома, которые в силу критерия максимально удалены от мнимой оси. Поэтому быстродействие таких систем и величина ошибки регулирования будут удовлетворять требованиям, предъявляемым к системам управления, и обеспечивать высокое качество управления.
После определения оптимальных настроек система переводится в рабочий режим: ключ R1 замыкается, ключ R2 размыкается (фиг.1).
На фиг.5 приведен пример конкретной реализации заявляемого способа автоматической настройки системы управления тепловым объектом. Объект управления представляет собой электронагреватель, управляемый релейным элементом, на вход которого подается ШИМ сигнал с ПИ (ПИД) регулятора. В качестве датчика температуры используется термосопротивление. Алгоритм ПИ (ПИД) регулятора, а также способ автоматической оптимальной настройки реализованы в виде программы для управляющей вычислительной машины.
В результате идентификации параметров модели объекта управления получены следующие значения:
Ko=49.3,
T1,=31.9 сек,
T2=525 сек,
N=5,
которым соответствуют оптимальные настройки
Figure 00000017
Figure 00000018
На фиг.5 X(t) - реакция выхода объекта на пробный сигнал в разомкнутой системе управления, Xpi(t) и Xpid(t) - переходные процессы в замкнутой системе при изменении задания от 100°С до 110°С в случаях, соответственно, ПИ и ПИД управления с настройками (7) и (8).
ЛИТЕРАТУРА
1. Ziegler J.G., Nichols N.B. Optimum Setting for Automatic Controllers, Trans. ASME, 64, 759. (1942)
2. Микропроцессорный контроллер Ремиконт - 130, НИИТЕПЛОПРИБОР, М., 1990.
3. Семенец В.П. Способ автоматической настройки системы регулирования. Патент РФ №2002289. Бюл. №39-40. 1993.
4. Мазуров В.М. Самонастраивающаяся система управления. Патент РФ №2068196. Бюл. №29. 1966.
5. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. - М.: Энергия, 1973, с.344.
6. Шубладзе А.М. Методика расчета оптимальных по степени устойчивости ПИ-законов управления. 1 Автоматика и телемеханика. 1987, №4, с.16-25.

Claims (1)

  1. Способ оптимальной автоматической настройки системы управления, основанный на переводе замкнутой системы управления в разомкнутый режим, подаче пробного сигнала на вход объекта, измерении параметров переходного процесса, определении по ним параметров Ко, n, T1 и Т2 принятой модели объекта управления:
    Figure 00000019
    где W(p) -передаточная функция объекта,
    Ко - коэффициент усиления объекта,
    T1, T2 - постоянные времени,
    n - порядок,
    определении по параметрам модели оптимальных параметров настройки регулятора и переводе системы с оптимальными параметрами настройки в рабочий режим, отличающийся тем, что в качестве пробного сигнала используют ступенчатый сигнал с настраиваемой амплитудой и полярностью d, определяют характерные точки переходного процесса: максимальное значение А производной выхода объекта и момент времени Тmах его достижения, момент времени Tbeg достижения производной 5%-ного уровня от максимального значения производной, а также момент времени Tend, в который значение производной выхода объекта уменьшается до 70% уровня от максимального значения производной, оценки К * о , n*, T * 1 и Т * 2 параметров Ко, n, T1 и Т2 модели определяют по характерным точкам переходного процесса с помощью вспомогательных функций
    n* =F1(Tbeg/(Tmax-Tbeg)),
    T1 * =F2(Tbeg, n* ),
    Figure 00000020
    Ko * =AT2 * F4(T1 * , T2 * , n* )/d,
    Figure 00000021
    где
    Figure 00000022
    - целая часть числа
    Figure 00000023
    , х=Tbeg/(Tmax-Tbeg),
    Figure 00000024
    Figure 00000025
    где
    Figure 00000026
    Figure 00000027
    где
    Figure 00000028
    параметры настройки регулятора определяют по критерию максимальной степени устойчивости.
RU2003107863/09A 2003-03-24 2003-03-24 Способ оптимальной автоматической настройки системы управления RU2243584C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003107863/09A RU2243584C2 (ru) 2003-03-24 2003-03-24 Способ оптимальной автоматической настройки системы управления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003107863/09A RU2243584C2 (ru) 2003-03-24 2003-03-24 Способ оптимальной автоматической настройки системы управления

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003107863A RU2003107863A (ru) 2004-09-20
RU2243584C2 true RU2243584C2 (ru) 2004-12-27

Family

ID=34387765

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003107863/09A RU2243584C2 (ru) 2003-03-24 2003-03-24 Способ оптимальной автоматической настройки системы управления

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2243584C2 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007040425A1 (fr) * 2005-10-05 2007-04-12 ZAKRYTOE AKTSIONERNOE OBSCHESTVO 'EleSi' Procede d'auto-reglage d'un systeme de commande d'objets et dispositif de mise en oeuvre de ce procede
RU2522033C1 (ru) * 2010-05-25 2014-07-10 АйЭйчАй КОРПОРЕЙШН Способ и устройство автоматической регулировки составляющей прямой связи для подавления избыточного отклика на ступенчатое воздействие во время ступенчатого слежения
RU2522032C1 (ru) * 2010-05-25 2014-07-10 АйЭйчАй КОРПОРЕЙШН Способ и устройство автоматической регулировки составляющей прямой связи для подавления избыточного отклика на ступенчатое воздействие во время ступенчатого слежения
RU2568386C2 (ru) * 2014-03-12 2015-11-20 Закрытое акционерное общество "Экоресурс" Способ самонастройки системы пид-регулирования
RU184987U1 (ru) * 2018-02-28 2018-11-15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тихоокеанский государственный университет" Имитатор системы нелинейного робастного управления неаффинными нестационарными объектами с запаздыванием нейтрального типа

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
РОТАЧ В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. – М.: Энергия, 1973, с. 344. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007040425A1 (fr) * 2005-10-05 2007-04-12 ZAKRYTOE AKTSIONERNOE OBSCHESTVO 'EleSi' Procede d'auto-reglage d'un systeme de commande d'objets et dispositif de mise en oeuvre de ce procede
RU2522033C1 (ru) * 2010-05-25 2014-07-10 АйЭйчАй КОРПОРЕЙШН Способ и устройство автоматической регулировки составляющей прямой связи для подавления избыточного отклика на ступенчатое воздействие во время ступенчатого слежения
RU2522032C1 (ru) * 2010-05-25 2014-07-10 АйЭйчАй КОРПОРЕЙШН Способ и устройство автоматической регулировки составляющей прямой связи для подавления избыточного отклика на ступенчатое воздействие во время ступенчатого слежения
RU2568386C2 (ru) * 2014-03-12 2015-11-20 Закрытое акционерное общество "Экоресурс" Способ самонастройки системы пид-регулирования
RU184987U1 (ru) * 2018-02-28 2018-11-15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тихоокеанский государственный университет" Имитатор системы нелинейного робастного управления неаффинными нестационарными объектами с запаздыванием нейтрального типа

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101936569B1 (ko) 센서 시스템
Haugen Comparing PI tuning methods in a real benchmark temperature control system
EP1321836B1 (en) Controller, temperature controller and heat processor using same
US4791548A (en) Discrete time control apparatus
US5130920A (en) Adaptive process control system, especially for control of temperature of flowing fluids
CN105807812A (zh) Pid温度控制方法及温度控制模块
CN106169897B (zh) 一种电机速度实时抗饱和pid控制方法及装置
CN108828934B (zh) 一种基于模型辨识的模糊pid控制方法及装置
JP2009181392A (ja) モデル予測制御方法およびモデル予測制御装置
KR100810952B1 (ko) 온라인 칼리브레이션 프로세스
JP3864781B2 (ja) 温度調節器
CN105807632B (zh) 一种基于改进大林算法的加热炉温度控制器设计方法
Diop et al. Preserving stability/performance when facing an unknown time-delay
CN105911862B (zh) 一种电加热炉温度控制方法
RU2243584C2 (ru) Способ оптимальной автоматической настройки системы управления
EP3816596B1 (en) Regulation of rate of temperature change for a dry block calibrator
RU2384872C2 (ru) Способ автоматической оптимальной импульсной настройки системы управления
CN109964180B (zh) 用于确定调节装置的参数的装置和方法
EP3246783A2 (en) Adaptive feed forward method for temperature control
Jayakar et al. An Investigation of Hybrid Optimization Techniques for Air Flow Temperature Process
JPH09146610A (ja) 多変数非線形プロセス・コントローラー
RU2619746C1 (ru) Способ расширения диапазона регулирования АСР без потери устойчивости
KR102064644B1 (ko) 적어도 하나의 템퍼링 원의 적어도 하나의 제어값을 제어하기 위한 폐쇄 루프 제어 장치
US10901378B2 (en) Process control method
JPS63163505A (ja) プロセスの適応制御方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20050325