Автоматические системы супервизорного регулирования технологических процессов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Говоров, Андрей Александрович

• Говоров, Андрей Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Говоров, Андрей Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ЗАДАЧИ ПОСТРОЕНИЯ СУ-ПЕРВИЗОРНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ С РАСШИРЕННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.1 ?

1.1. Супервизорные регуляторы с расширенными функциональными возможностями для непрерывных технологических процессов

1.2. Обзор известных алгоритмов супервизорных регуляторов.

1.3. Разработка модели супервизорной системы управления.

1.4. Выводы.

1.5. Цели и задачи исследования.

2. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СУПЕРВИЗОРНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ.

2.1. Методы построения супервизорных регуляторов.

2.2. Методы построения супервизорных частей регуляторов.

2.3. Методика исследования и оптимизации динамики супервизорных АСР.

2.3.1. Методика и алгоритмы анализа динамики супервизорных АСР

2.3.2. Методика и алгоритмы математического моделирования супервизорных систем с переменными параметрами.

2.3.3. Методика и алгоритм синтеза оптимальной супервизорной АСР

2.3.4. Методика исследования супервизорной АСР на регулирующих микропроцессорных контроллерах.

2.3.5. Методика исследования супервизорной АСР с использованием программы компьютерной математики VisSim.

2.4. Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СУПЕРВИЗОРНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ ТЕХНО

ЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С САМОВЫРАВНИВАНИЕМ.

3.1. Исследование супервизорных ПИ-регуляторов.

3.2. Исследование супервизорных ПИД-регуляторов.

3.3. Настройка супервизорных регуляторов для различных объектов управления и задающих воздействий.

3.4. Выводы.

4. СУПЕРВИЗОРНЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ БЕЗ САМОВЫРАВНИВАНИЯ

4.1 Привод антенны радиолокационной станции как объект управления. Постановка задачи управления.

4.2. Исследование супервизорных ПИ-регуляторов следящих приводов.

4.3. Исследование супервизорных ПИД-регуляторов следящих приводов

4.4. Исследование супервизорных ПД-регуляторов следящих приводов

4.5. Выводы.

5. СУПЕРВИЗОРНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ В АСР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ.

5.1. АСР температурного режима в колонне синтеза метанола.

5.2. Супервизорная АСР давления в колонне ректификации метанола

5.3. Супервизорная АСР температурного режима конвертора метана

5.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматические системы супервизорного регулирования технологических процессов»

В настоящее время весьма актуальной является задача разработки принципов построения, способов технической реализации и методов расчета более эффективных автоматических систем, регуляторов и устройств управления, в том числе регуляторов для повышения качества регулирования технологических параметров при отработке как задающего воздействия, так и возмущения. Такая ситуация возникает в автоматических системах регулирования (АСР) в супервизорном режиме управления, а также в каскадных АСР, в АСР соотношения технологических параметров (следящие АСР) и даже в обычных АСР (в системах стабилизации) при частых изменениях задающего воздействия.

Интенсификация технологических процессов (ТП), возросшие требования к экологической безопасности и качеству выпускаемой продукции при минимальных затратах сырья, материалов и энергии требуют создания более эффективных и надежных автоматических и автоматизированных систем управления (АСУ) ТП. Характерными особенностями многих ТП являются наличие большого числа неконтролируемых входных воздействий, инерционностей и значительного запаздывания. Управление такими сложными объектами с помощью широко используемых в настоящее время типовых регуляторов и автоматических устройств с ограниченными возможностями и настройками не обеспечивает необходимого качества регулирования технологических параметров.

В частности, необходимо решить задачу повышения качества регулирования технологических параметров при отработке задающего воздействия путем оптимизации (коррекции) работы каждой составляющей закона управления. Так как эти составляющие должны быть настроены на оптимальное подавление возмущающего воздействия, то без определенной коррекции они отрабатывают задающее воздействие с очень низкими показателями качества по сравнению с тем случаем, когда эти же составляющие настраиваются на качественную отработку задающего воздействия. Но тогда в этом последнем случае получаем низкое качество подавления возмущающего воздействия. Таким образом, требуется одновременно обеспечить высокое качество работы АСР при изменениях и задающего и возмущающего воздействий.

Способы повышения качества АСР при отработке как задающего воздействия, так и возмущений рассмотрены в работах Ф. Шински, К. Острема и Б. Виттенмарка, А.И. Бирмана и др. специалистов по автоматическому регулированию и сводятся, в основном, к коррекции работы отдельных составляющих закона управления путем исключения обработки ими задающего воздействия, а также с помощью установки инерционных звеньев или ограничителей скорости (динамическая балансировка) в канал задания. Каждому из этих способов коррекции закона управления присущи недостатки, связанные с их недостаточными функциональными возможностями, что уменьшает область применения регуляторов и снижает качество АСР.

Задачу повышения качества регулирования технологических параметров при отработке задающего воздействия предложено решить путем коррекции работы каждой составляющей закона управления в супервизорном ПИД-регуляторе, авторами изобретения которого являются сотрудники ТулГУ (Говоров С.А. и др.). Однако, в супервизорных регуляторах необходима коррекция всех составляющих закона регулирования не только по каналу задания, но и по каналу измеряемого возмущающего воздействия (при наличии датчика), а также по каналу дополнительной информации о регулируемом параметре. Например, для колонны синтеза метанола (КСМ) наиболее подходящими оказались супервизорные регуляторы с коррекцией всех составляющих закона регулирования по каналу задания и с дополнительной коррекцией этих составляющих по скорости изменения уровня воды в сосуде системы охлаждения КСМ. Уровень воды в сосуде быстрее реагирует на возмущения температурного режима в КСМ, чем сигнал с датчика основной регулируемой величины. Использование дополнительной информации позволяет значительно повысить качество регулирования температуры.

Другим примером объекта управления из рассматриваемого класса технологических процессов может служить АСР с ограничениями выходного сигнала и защитой от насыщения для поддержания в заданных пределах давления в колонне ректификации метанола (КРМ). В этой АСР верхний граничный предел изменения выходного сигнала регулятора необходимо задать на уровне 40-50 % для исключения больших потерь ценного газообразного продукта. Нижний предел задается на стандартном уровне, при этом без задержки требуется вводить регулирующее воздействие только в случае превышения заданного значения регулируемой величиной. В отличие от обычных ПИД-регуляторов оказалось необходимым подавать сигналы коррекции по измеряемому возмущению для всех составляющих закона управления. В качестве измеряемого возмущения принято давление в нижней части колонны КРМ. Супервизорный регулятор позволит обеспечить существенное улучшение динамических характеристик систем регулирования давления в КРМ при отработке возмущений.

Еще более значительным примером из области электротехнологических процессов является применение супервизорных регуляторов для электрического привода антенны радиолокационной станции (PJIC). Характерными особенностями электропривода PJIC являются вращающиеся элементы конструкции антенны и ее привода, которые имеют большие размеры и массу и, как следствие, большие моменты инерции. Значительные моменты инерции осложняют процессы регулирования электропривода в режимах поиска наблюдаемого объекта и его автосопровождения.

Блок управления электроприводами обеспечивает формирование управляющих сигналов для трех основных режимов работы силового привода PJIC: ручного наведения, поиска и автосопровождения объекта. Режим ручного наведения состоит в перемещении оператором диаграммы направленности антенны (ДНА) в нужную точку пространства в пределах рабочих углов PJIC при подготовке к поиску объекта в заданном секторе. Наиболее сложным и ответственным режимом работы привода является режим автосопровождения, когда формирование управляющих сигналов происходит при замыкании системы по положению через антенну и приемное устройство. Приведенные требования показывают, что основная задача, стоящая перед системой управления следящим приводом заключается в обеспечении необходимых точности и плавности слежения с тем, чтобы объект наблюдения не выходил за пределы ДНА в различных условиях эксплуатации. Эту задачу могут решить супервизорные регуляторы, способные одинаково хорошо отрабатывать и задающие и возмущающие воздействия.

Алгоритмы супервизорного управления (СВУ) позволят значительно расширить функциональные возможности типовых промышленных регуляторов. Однако из большого числа возможных алгоритмов СВУ, несмотря на ожидаемую эффективность, к настоящему времени исследована лишь малая их часть. И это, в основном, было связано с трудностями их технической реализации, низкой надежностью регуляторов с СБУ, что и сдерживало дальнейшие исследования возможных подходов к разработке супервизорных непрерывных регуляторов. Возможности же современных инструментальных программных и аппаратных средств автоматизации и, в частности, наличие промышленных регулирующих микропроцессорных контроллеров (МПК) типа ПРОТАР, Ремиконт Р-130 и др., выпускаемых российской промышленностью, а также SCADA-систем, создают ту техническую базу, на основе которой могут быть продолжены исследования с целью разработки еще более эффективных в управлении и конструктивных в реализации алгоритмов СВУ для типовых промышленных регуляторов.

В типовых промышленных регуляторах отсутствует функция супервизор-ного управления. Такие регуляторы не обеспечивают решение поставленных задач, и в подобных ситуациях их приходится отключать и переводить систему регулирования на ручной дистанционный режим работы. Поэтому решение задачи автоматизации указанных технологических процессов, построения супервизорных регуляторов с расширенными функциональными возможностями и создания на их основе высоконадежных автоматических систем регулирования повышенной живучести для непрерывных технологических, в частности, электротехнологических и химико-технологических процессов, является актуальной.

Супервизорные регуляторы и автоматические устройства обеспечивают оперативное изменение управляющего воздействия на исполнительный механизм АСР при возмущениях технологического процесса, повышают качество регулирования технологических параметров, расширяют области применения регуляторов и устройств автоматического управления, повышают удобство эксплуатации и обслуживания автоматических систем регулирования.

Непрерывное развитие и совершенствование автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) обусловлено постоянно возрастающими требованиями к функциональной обеспеченности технических средств на всех уровнях их применения в АСУ ТП. Эти требования вызывают необходимость существенного повышения эксплуатационной надежности и расширения функциональных возможностей в первую очередь тех средств, которые особенно широко используются при организации локальных автоматических систем регулирования (АСР) технологическими параметрами. При этом эффективность различных АСУ ТП во многом зависит от степени совершенства регулирующей аппаратуры.

Переход от централизованных систем управления и контроля к более эффективным распределенным децентрализованным АСУ ТП на базе вычислительных средств обусловлен усложнением, как самих технологических процессов, так и задач комплексной автоматизации производства. Однако до появления микропроцессорных технических средств автоматизации (ТСА) практическая реализация распределенных децентрализованных систем была экономически нецелесообразна.

Для автоматизации современных непрерывных технологических процессов требуется большое число различных типов регуляторов, реализующих обычные ПИ-, ПИД-законы управления, а также супервизорные с расширенными функциональными возможностями, с переменной структурой, с защитой от насыщения, с адаптацией к условиям работы объекта управления и других. Большинство этих алгоритмов управления реализовать аппаратными средствами на аналоговой технике довольно сложно и дорого. Появление надежных регулирующих микроконтроллеров обеспечило программную реализацию любых алгоритмов регулирования. Поэтому в качестве ТСА для распределенных АСУ ТП все шире используются микропроцессорные контроллеры (МПК).

Преимущества АСР с микропроцессорными регуляторами и контроллерами связаны в первую очередь с возможностью реализации хорошо разработанных в теории, но с трудом воспроизводимых на аналоговой элементной базе сложных, нелинейных алгоритмов управления, характерных, например, для адаптивных систем, систем с переменной структурой, с защитой от насыщения, супервизорных с расширенными функциональными возможностями.

В микропроцессорной АСР часто не нужно вводить никаких аппаратных изменений, чтобы радикально изменить алгоритм управления. Следовательно, аппаратная часть таких систем морально стареет гораздо менее интенсивно, чем у их аналоговых вариантов. МПК наряду с задачами регулирования (вычисление ошибки, формирование управляющего воздействия, динамические и статические преобразования) может решать и логические задачи, заменяя тем самым соответствующее аппаратное устройство. Постоянно снижающаяся стоимость и высокая производительность МПК, наряду с перечисленными выше достоинствами, делают их применение экономически целесообразным.

Сегодня во всем мире преобладает тенденция к использованию в качестве технических средств АСУ ТП микропроцессорных контроллеров МПК, которые соединяют в себе достоинства аналоговых приборов и ЭВМ и лишены их недостатков. Многие потребители нуждаются в малогабаритном малоканальном контроллере, который управлял бы одним - четырьмя контурами. Аналогичные устройства требуются при автоматизации крупных объектов, имеющих особо ответственные контуры регулирования и управления.

К настоящему времени предложены супервизорные регуляторы, в которых задача обеспечения высокого качества работы АСР при изменениях и задающего и возмущающего воздействий относительно просто решена путем установки в каналах задания для некоторых составляющих закона управления дополнительных динамических блоков с оптимальными параметрами при отработке задания. При этом параметры настройки исходного алгоритма (закона) управления выбираются с учетом оптимальной компенсации возмущающего воздействия в АСР.

Несмотря на достигнутые результаты в разработке супервизорных регуляторов (СВР), непрерывно растущие требования к АСР технологических процессов настоятельно требуют создания новых эффективных алгоритмов функционирования супервизорных регуляторов, обеспечивающих по сравнению с известными более высокие динамические показатели качества переходных процессов. Кроме того, до сих пор не решен широкий круг вопросов по исследованию и оптимизации различных структур супервизорных АСР с расширенными функциональными возможностями. Возрастающие требования к качеству АСР, сложность и широкий диапазон изменения задающих и возмущающих воздействий заставляют искать новые методы и средства построения супервизорных систем управления.

Работы по исследованию и разработке супервизорных регуляторов и АСР с расширенными функциональными возможностями выполнялись в течение ряда лет в Тульском государственном университете для химико- технологических процессов (ХТП) в ОАО "Щекиноазот". Характерными особенностями этих ХТП и многих других процессов являются наличие большого числа неконтролируемых воздействий, инерционностей и значительного запаздывания. Поэтому в качестве моделей объектов управления (ОУ), наиболее распространенных в химической и других отраслях промышленности, рассматриваются типовые звенья первого порядка с запаздыванием в управляющем канале. Так как системы управления обеспечивают только ограниченное регулирующее воздействие, в управляющем канале типовых моделей ОУ устанавливается нелинейное звено типа "насыщение". Анализ супервизорных АСР ограничивается в основном скачкообразными задающим и возмущающим (в управляющем канале) воздействиями. Эти типовые модели используются в качестве базовых динамических моделей ОУ, что значительно упрощает изучение динамических свойств супервизорных АСР и позволяет выполнить исследование в общем виде.

Предусмотрена возможность использования многомерной модели ОУ с запаздыванием, динамика которого описывается матричным дифференциальным уравнением состояния. Количественная оценка качества процессов управления в АСРФ осуществляется с помощью показателей: обобщенной интегральной квадратичной оценки J0, интегральных абсолютной J\ и квадратичной J2 ошибок, времени переходного процесса tP и перерегулирования а.

Управление такими сложными объектами с помощью широко используемых в настоящее время типовых регуляторов и автоматических устройств с ограниченными возможностями и настройками не обеспечивает необходимого качества регулирования технологических параметров. Несмотря на достигнутые результаты, расширение функциональных возможностей супервизорных регуляторов и АСР, разработка способов их реализации и методов расчета получаемых при этом сложных автоматических систем является трудной и во многом незавершенной задачей. В связи с этим весьма актуальной является задача разработки принципов построения, способов технической реализации и методов расчета более эффективных супервизорных автоматических систем и регуляторов с расширенными функциональными возможностями для широкого класса непрерывных ТП, динамические характеристики которых представляют собой соединение обладающих существенным транспортным запаздыванием инерционных звеньев разных типов.

Исследования, проводимые по теме диссертации, выполнялись в течение ряда лет в Тульском государственном университете для химико- технологических процессов (ХТП) в ОАО "Щекиноазот" и и Тульском филиале ФГУП "Конструкторское бюро машиностроения" в содружестве с Российским химико-технологическим университетом им. Д.И. Менделеева, Центральным научно-исследовательским институтом комплексной автоматизации (ЦНИИКА), Московским заводом тепловой автоматики и Московским заводом точных измерительных приборов "Тизприбор" при финансовой поддержке РФФИ по проекту «Центр» №07-01-96403 «Разработка методов математического моделирования сложных динамических объектов, работающих в условиях неопределенности».

Цель и задачи диссертационной работы. Решение научно-технической задачи, имеющей важное народнохозяйственное значение и связанной с ограниченностью функциональных возможностей типовых промышленных регуляторов при управлении существенно инерционными технологическими процессами в условиях действия контролируемых возмущений большой величины, а также в супервизорных режимах эксплуатации. Для достижения этой цели требуется разработка общего подхода, методов и средств построения многофункциональных супервизорных регуляторов, обеспечивающих расширение функциональных возможностей автоматических систем, а также методов их расчета для указанного класса объектов. В работе осуществляется также исследование возможностей и способов технической реализации супервизорных регуляторов с помощью современных программных и аппаратных средств.

Для этого требуется разработать регуляторы, которые бы позволяли одновременно с высоким качеством отрабатывать и задающее и возмущающее воздействия (супервизорные регуляторы). Провести сравнительные исследования автоматических систем регулирования (АСР) с супервизорными регуляторами. Получить номограммы для расчета настройки супервизорных регуляторов при ступенчатых задающих воздействиях.

Основные положения, защищаемые в диссертации:

- общий подход к построению супервизорных регуляторов с расширенными функциональными возможностями, состоящий во введении коррекции всех составляющих закона регулирования по каналу задания, по каналу измеряемого возмущающего воздействия (при наличии датчика), а также по каналу дополнительной информации о регулируемом параметре;

- методы построения алгоритмов функционирования супервизорных регуляторов для отработки возмущающих воздействий на непрерывных технологических объектах;

- методика выбора настроек супервизорных ПИ- и ПИД-регуляторов с расширенными функциональными возможностями;

- методика исследования грубости супервизорных АСР при использовании предлагаемых регуляторов СВР разных типов;

- алгоритмы и схемотехнические решения расширения функциональных возможностей супервизорных промышленных регуляторов.

Методы исследования. В работе поставленные задачи решаются на базе оптимизационно-имитационного подхода, теории дифференциальных уравнений, теории матриц, методов теории управления, а также машинных методов анализа сложных систем. При изучении свойств и получении результатов для конкретных автоматических систем с предлагаемыми супервизорными регуляторами широко использовались аналоговое и цифровое моделирование, экспериментальные исследования.

Достоверность и эффективность предложенных методов и алгоритмов подтверждаются результатами аналогового и цифрового моделирования, типовых испытаний, а также экспериментальными исследованиями предложенных супервизорных регуляторов и АСР реальных технологических процессов.

Научная новизна работы состоит в том, что показана возможность существенного повышения качества отработки как задающих, так и возмущающих воздействий АСР с помощью супервизорного блока преобразования задающего воздействия АСР в сигналы задания для каждой составляющей закона регулирования. Для ПИ-, ПИД- и ПД-регуляторов предложены структуры таких супервизорных блоков, осуществляющих коррекцию задания по каждой составляющей закона регулирования.

Разработаны многоканальные супервизорные регуляторы, обеспечивающие коррекцию составляющих закона регулирования по каналам задания, измеряемого возмущения и дополнительной информации о регулируемом параметре.

Предложена методика исследования и оптимизации динамики супервизор-ных АСР. Для типовых моделей динамики объектов управления разработаны номограммы по расчету параметров настройки супервизорных регуляторов.

Новизна регуляторов подтверждается патентом РФ на изобретение "Су-первизорный ПИД-регулятор", авторами которого является коллектив сотрудников ТулГУ (владелец патента). Кроме того, автором диссертационной работы получено решение о выдаче патента РФ на полезную модель "Супервизорный ПИД-регулятор", обладающий расширенными функциональными возможностями.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- предложены супервизорные регуляторы, позволяющие с высоким качеством одновременно отрабатывать как задающие, так и возмущающие воздействия, действующие на объект. Разработаны способы реализации супервизорных регуляторов в цифровом исполнении на базе микропроцессорных контроллеров. Получены номограммы для расчета настройки супервизорных регуляторов при ступенчатых возмущениях по нагрузке. Предложены методы моделирования и оптимизации супервизорных АСР при различных возмущениях.

- разработаны методика и алгоритмы исследования и выбора настроек предложенных супервизорных регуляторов, проведен сравнительный анализ качества АСР с различными алгоритмами расширения их функциональных возможностей, приведены практические рекомендации по их применению;

- получены номограммы и практические рекомендации для выбора настроек супервизорных регуляторов различных типов;

- приобретен опыт применения супервизорных регуляторов с расширенными функциональными возможностями в АСР различных технологических процессов.

Реализация результатов работы. Предложена схемотехническая, программная и аппаратная реализация супервизорных регуляторов с расширенными возможностями, с переменной структурой и защитой от насыщения:

- для регулирующих микропроцессорных контроллеров (МПК) типа ПРОТАР и Ремиконт Р-130 разработаны виртуальные алгоритмические структуры супервизорных регуляторов. Схемы регуляторов пригодны для использования при разработке новых малоканальных МПК и программно-технических комплексов;

- разработан комплекс супервизорных регуляторов СВР с расширенными функциональными возможностями. СВР используются в АСР химико- технологических процессов синтеза метанола и ректификации метанола, а также в электротехнологических процессах с применением супервизорных регуляторов для следящего привода антенны радиолокационной станции.

Разработана программная и системотехническая реализация АСР технологических процессов с применением супервизорных регуляторов. Предложенные в диссертации методы расчета этих регуляторов положены в основу промышленных систем управления рядом технологических процессов.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались и опубликованы в сборниках трудов следующих конференций:

• Международная студенческая научно-техническая конференция. Белгород.

• Ш Научно-техническая конференция молодых ученых и аспирантов. Новомосковск, Тульской области.

• 14-22 Международные научные конференции "Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ-2001 - 2009). Смоленск, Тамбов, Ростов на Дону, Кострома, Казань, Воронеж, Ярославль, Саратов, Иваново.

• Международная научно-техническая конференция "Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании КТУДО". Тверь.

• II, Ш и IV Всероссийские научно-практические конференции "Системы управления электротехническими объектами". Тула.

• Международная научно-практическая конференция "Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии". Белгород, 2007.

По результатам диссертационной работы опубликованы 7 научно- технических статей в Известиях ТулГУ в серии «Проблемы управления электротехническими объектами», сделаны 19 докладов и опубликованы тезисы в сборниках трудов Международных конференций, сделаны 16 докладов и опубликованы тезисы в сборниках трудов Всероссийских конференций, разработан действующий макет супервизорного ПИД- регулятора, алгоритм работы которого и схемная реализация защищены патентом РФ (№ 2157558, Бюллетень изобретений, 2000, № 28) и опубликованы в Информационном каталоге научных разработок ТулГУ. Опубликованы шесть статей в изданиях, рекомендованных ВАК.

Некоторые результаты диссертационной работы изложены в отдельной главе «5. Супервизорные автоматические регуляторы» в учебном пособии с грифом УМО: Говоров А.А., Сухинин Б.В., Баженов А.В., Соколовский Р.В., Говоров С.А. «Микропроцессорные контроллеры АСР с расширенными функциональными возможностями». - Тула: ТулГУ, 2003. Эти результаты были получены при участии автора в студенческой научно-исследовательской работе, которая выполнялась также при поддержке грантов Минобразования РФ для поддержки НИР аспирантов вузов 2003 г.: «Методы и средства построения многофункциональных супервизорных регуляторов с защитой от насыщения и ограничениями выходных сигналов» (шифр АОЗ-3.16-20) и «Принципы построения и способы реализации одного класса автоматических регуляторов и устройств с переменной структурой» (шифр А03-3.16-21).

Публикации. По результатам исследований опубликованы 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для кандидатских диссертаций, 19 тезисов докладов в сборниках трудов Международных конференций, 16 тезисов докладов в сборниках трудов Всероссийских конференций, получено решение о выдаче патента РФ на полезную модель "Супервизорный ПИД-регулятор".

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по результатам исследования, списка литературы из 130 наименований и 5 приложений. Диссертация изложена на 186 страницах, иллюстрируется 87 рисунками, содержит 24 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Говоров, Андрей Александрович

Основные результаты и содержание диссертации опубликованы в 4-х статьях в изданиях, которые входят в Перечень ведущих научных журналов РФ, сделаны доклады и опубликованы тезисы в сборниках трудов Международных и Всероссийских научно-технических конференций в 2001 - 2009 годах, получен патент на полезную модель супервизорного регулятора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена научно-техническая задача расширения функциональных возможностей автоматических систем и регуляторов для управления технологическими процессами, имеющая важное народнохозяйственное значение и заключающаяся в создании общего подхода и методов построения супервизорных регуляторов, позволяющих создавать высокоэффективные АСР непрерывных технологических процессов. Разработаны также методы технической реализации супервизорных АСР и регуляторов с расширенными функциональными возможностями.

Основными результатами диссертационной работы являются разработка ряда системо- и схемотехнических принципов построения, методов теоретических и экспериментальных исследований, инженерных методов расчета и способов реализации супервизорных автоматических систем и регуляторов с расширенными функциональными возможностями для промышленных объектов с транспортным запаздыванием с коррекцией всех составляющих закона регулирования по каналу задания, по каналу измеряемого возмущающего воздействия (при наличии датчика), а также по каналу дополнительной информации о регулируемом параметре.

Основные научные и практические результаты, полученные в результате исследований по решению поставленной задачи, состоят в следующем:

1. Предложен общий подход к расширению функциональных возможностей типовых промышленных регуляторов для технологических объектов, работающих в супервизорных режимах, близких к предельным и приводящих к выходу управляющих сигналов на ограничения. Подход состоит во введении коррекции всех составляющих закона регулирования по каналу задания, по каналу измеряемого возмущающего воздействия (при наличии датчика), а также по каналу дополнительной информации о регулируемом параметре.

2. Разработаны методы построения алгоритмов функционирования супервизорных регуляторов для отработки возмущающих воздействий на непрерывных технологических объектах.

3. Предложена методика выбора настроек супервизорных ПИ- и ПИД-регуляторов с расширенными функциональными возможностями.

4. Предложена методика исследования грубости супервизорных АСР при использовании предлагаемых регуляторов СВР разных типов.

5. Разработаны алгоритмы и схемотехнические способы расширения функциональных возможностей супервизорных регуляторов.

6. Разработана методика исследования и оптимизации динамики многофункциональных АСР при использовании супервизорных на основе оптимизационно- имитационного подхода, а также машинных методов анализа точности нелинейных систем.

7. Разработаны новые автоматические супервизорные регуляторы с расширенными функциональными возможностями, новизна которых защищена патентами.

8. Полученные результаты экспериментально- теоретических исследований предложенных супервизорных алгоритмов расширения функциональных возможностей использованы для повышения качества новых эффективных систем управления химико-технологическими процессами:

- АСР температурного режима в колонне синтеза метанола на базе супер-визорного регулятора с переменной структурой, с защитой от насыщения и коррекцией входных сигналов всех составляющих закона управления по скорости изменения уровня воды в расширительном сосуде системы охлаждения колонны;

- АСР давления в колонне ректификации метанола со смешанной защитой от насыщения на нижнем пределе по выходу интегратора и на верхнем пределе - по выходу супервизорного регулятора с коррекцией по измеряемому возмущению (давление в нижней части колонны) для всех по отдельности составляющих закона управления;

- АСР температурного режима в конверторе метана с защитой от насыщения и коррекцией выходного и входного сигналов супервизорного регулятора.

9. Предложенные супервизорные регуляторы находят применение при проектировании высокоэффективных систем управления различными технологическими процессами и объектами:

- супервизорные АСР для управления электрическим приводом (на базе двигателя постоянного тока) антенны радиолокационной станции;

- каскадная супервизорная АСР температурного режима в помещении для индивидуального регулирования теплоотдачи нагревательных приборов. Новизна этой АСР подтверждена патентом на полезную модель супервизорного регулятора с коррекцией всех составляющих закона управления по каналу измеряемого возмущающего воздействия, подключенного к датчику температуры наружного воздуха.

10. Выполненный в диссертации комплекс научно-технических и экспериментальных исследований нашел практическое применение в учебном процессе. Внедрение разработанных супервизорных регуляторов с расширенными функциональными возможностями не требует больших затрат и позволяет получить ощутимый технический и экономический эффект.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Говоров, Андрей Александрович, 2010 год

1. Аверин С.И., Садовой А.В., Сухинин Б.В. Системы управления следящими приводами антенных установок. М.: Высшая школа, 1989. - 256 с.

2. Автоматизация настройки систем управления/ В.Я. Ротач, В.Ф. Кузи-щин, А.С. Клюев и др.; Под ред. В.Я. Ротача. М.: Энергоатомиздат, 1984. — 272 с.

3. Автоматическое управление в химической промышленности/ Под ред. Е.Г. Дудникова. М.: Химия, 1987. - 368 с.

4. Александровский Н.М., Егоров С.В., Кузин Р.Е. Адаптивные системы автоматического управления сложными технологическими объектами. М.: Энергия, 1973. -272 с.

5. А.с. 695999 СССР МКИ С 07 С 31/04, G 05 D 21/00. Способ автоматического управления процессом синтеза метанола/ В.И. Саломыков, А.А. Говоров, Б.И. Лурье, В.Н. Крайнов, Л.И. Ротенберг, В.А. Фомин. Опубл. в БИ.- 1979. -№41. -4 с.

6. А.с. 889654 СССР МКИ С 07 С 31/04, G 05 D 27/00. Устройство для регулирования температурного режима в колонне синтеза метанола/ В.В. Кафаров, В.П. Мешалкин, В.И. Саломыков, Ю.И. Давыдов, Л.И. Ротенберг, А.А. Говоров. Опубл. в БИ. - 1981. - № 46. - 4 с.

7. А.с. 977450 СССР МКИ С 07 С 31/04, G 05 D 27/00. Устройство для регулирования температурного режима в колонне синтеза метанола/ В.И. Баженов, А.А. Говоров, В.В. Подсевалов, В.И. Саломыков. Опубл. в БИ. - 1982. - № 44. - 4 с.

8. А.с. 1671654 СССР МКИ С 07 С 31/04, G 05 D 27/00. Устройство для регулирования давления в колонне ректификации метанола/ В.В. Кафаров, В.П. Мешалкин, В.И. Баженов, А.А. Говоров, В.В. Подсевалов, Л.П. Шершнев. Опубл. в БИ. - 1991. - № 36. - 5 с.

9. П.Баженов В.И., Говоров А.А., Подсевалов В.В., Якубович С.К. Регулирующие устройства с защитой от насыщения: Монография. М.: Изд-во ВЗПИ, 1990,-210 с.

10. Баженов А.В., Говоров А.А. Применение малоканальных микропроцессорных контроллеров для моделирования динамики АСР// 14 Международ, науч. конф. "Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ-14): Сб. трудов, том 6. Смоленск, 2001. - С. 170 - 171.

11. Баженов А.В., Говоров А.А., Хэ Хуаньван. Регуляторы с комбинированной защитой от насыщения// XVI Международ, науч. конф. " Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ-16): Сб. трудов, том 6. Ростов н/Д: РГАСХМ ГОУ, 2003. - С. 171 - 173.

12. Барковский В.В., Захаров В.А., Шаталов А.С. Методы синтеза систем управления. М.: Машиностроение, 1981. — 277 с.

13. Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов JI.H. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. М.: Академия, 2004. - 576 с.

14. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микро ЭВМ. М.: Наука, 1987. - 320 с.

15. Бессонов А.А., Загашвили Ю.В., Маркелов А.С. Методы и средства идентификации динамических объектов. JL: Энергоатомиздат, 1989. - 280 с.

16. Бирман А. И. Пневматический супервизорный регулятор// Пневмо-гидроавтоматика и пневмопривод: Тез. докл. Всесоюз. совещ. — Суздаль, апр. 1990.-Ч. 1.-М., 1990.-С. 88.

17. Благовещенская М.М., Злобин JT.A. Информационные технологии систем управления технологическими процессами (при производстве пищевых продуктов). М.: Высшая школа, 2005. - 768 с.

18. Бурмистров Р.Ф., Саломыков В.И. Структура управления технологическим процессом синтеза метанола // Приборы и системы управления, 1973, № 4, с. 8 9.

19. Быков В.В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. -М.: Сов. радио, 1971. 328 с.

20. Вавилов А.А. Имаев Д.Х. Машинные методы расчета систем управления. Л.: ЛГУ, 1981.-232 с.

21. Говоров А.А., Подсевалов В.В., Баженов В.И. и др. Пневматические регулирующие устройства с расширенными функциональными возможностями для управления нефтехимическими и химико-технологическими процессами. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1991.- 104 с.

22. Говоров А.А., Сухинин Б.В., Баженов В.И. Микропроцессорные контроллеры в автоматических системах регулирования: Учеб. пособие для вузов. Тула: ТулГУ, 1999. - 192 с.

23. Говоров А.А., Сухинин Б.В., Баженов А.В., Соколовский Р.В., Говоров С.А. Микропроцессорные контроллеры АСР с расширенными функциональными возможностями: Уч. пос. для вузов. Тула: ТулГУ, 2003. - 172 с.

24. Говоров А.А., Фомичев А.А., Панарин В.М., Соколовский Р.В. Малоканальные микропроцессорные контроллеры в автоматических системах регулирования: Уч. пос. для вузов. Тула: ТулГУ, 2005. - 204 с.

25. Говоров С.А., Говоров А.А. Супервизорные регуляторы для технологических процессов// Международ, студ. научно-техн. конф.: Сб. тез. докл. -Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001. Ч. 2. - С. 87.

26. Говоров А.А., Баженов В.И. Малоканальные микропроцессорные контроллеры и современные проблемы автоматизации и управления// Международ, студ. научно-техн. конф.: Сб. тез. докл. — Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001. Ч. 2. - С. 86.

27. Говоров А.А., Говоров С.А., Баженов В.И. Алгоритмы и программные средства анализа и синтеза АСР с расширенными функциональными возможностями// Международ, студ. научно-техн. конф.: Сб. тез. докл. Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001. -Ч. 2. - С. 88.

28. Говоров С.А., Баженов В.И., Говоров А.А. Супервизорные регулирующие устройства// Ш Научно-техн. конф. молодых ученых и аспирантов: Тез. докл. Новомосковск: НИ РХТУ, 2001. - С. 73.

29. Говоров А.А., Баженов В.И., Говоров С.А. Регулирующие устройства с переменной структурой// Ш Научно-техн. конф. молодых ученых и аспирантов: Тез. докл. Новомосковск: НИ РХТУ, 2001. - С. 72 - 73.

30. Говоров А.А., Баженов В.И. Алгоритмы и программы анализа и синтеза АСР с расширенными функциональными возможностями// Ш Научно-техн. конф. молодых ученых и аспирантов: Тез. докл. Новомосковск: НИ РХТУ, 2001.-С. 71 -72.

31. Говоров С.А., Баженов А.В., Говоров А.А. Супервизорные регуляторы технологических параметров// XVI Международ, науч. конф. " Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ-16): Сб. трудов, том 6. — Ростов н/Д: РГАСХМ ГОУ, 2003. С. 169 - 171.

32. Говоров А.А., Баженов А.В., Говоров Е.А. Супервизорные регуляторы следящих приводов// XVIII Между народ, науч. конф. "Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ-18): Сб. трудов, том 10. — Казань: КГТУ, 2005.-С. 19-21.

33. Говоров А.А. Супервизорные автоматические регуляторы// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып.1: в 2 ч. Ч. 2. Тула: ТулГУ, 2009. - С. 37 - 44.

34. Говоров А.А. Супервизорные автоматические регуляторы для электрических следящих приводов// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып.2: в 2 ч. Ч. 2. Тула: ТулГУ, 2009. - С. 196 - 202.

35. Дамбраускас А.П. Симплексный поиск. — М.: Энергия, 1979. 176 с.

36. Дидук Г.А., Коновалов А.С., Орурк И.А., Осипов JI.A. Анализ и оптимальный синтез на ЭВМ систем управления. М.: Наука, 1984. - 344 с.

37. Дидук Г.А. Машинные методы исследования автоматических систем. JL: Энергоиздат, 1983. - 176 с.

38. Емельянов С.В., Коровин С.К. Новые типы обратной связи: Управление при неопределенности. -М.: Наука, 1997. — 352 с.

39. Изерман Р. Цифровые системы управления: Пер. с англ. М.: Мир, 1984.-541 с.

40. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 304 с.

41. Караваев М.М., Мастеров А.П., Леонов В.Е. Промышленный синтез метанола. М.: Химия, 1974. - 144 с.

42. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Лабораторный практикум на Electronics Workbench и VisSim по элементам телекоммуникационных систем. М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 480 с.

43. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Говоров А.А. и др. Регуляторы с переменной структурой для непрерывных технологических процессов с запаздыванием// Приборы и системы управления. 1986. № 4. - С. 23 - 26.

44. Климовицкий М.Д., Копелович А.П. Автоматический контроль и регулирование в чёрной металлургии: Справ. М.: Металлургия, 1967. -787 с.

45. Клюев А.С., Лебедев А.Т, Клюев С.А. др. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие/ Под ред. А.С. Клюева. 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 280 с.

46. Клюев А.С. Лебедев А.Т. Оптимизация систем технологического контроля и автоматизации. Информационный подход. М.: Энергоатомиздат, 1994.-96 с.

47. Клюев А.С., Лебедев А.Т., Таланов В.Д. Автоматическое регулирование барабанных паровых котлов. — М.: Шаг, 1996. — 236 с.

48. Колесников А.А. Основы теории синергетического управления. М.: Фирма "Испо-Сервис", 2000. - 264 с.

49. Колесников А.А., Гельфгат А.Г. Проектирование многокритериальных систем управления промышленными объектами. — М.: Энергоатомиздат, 1993.-304 с.

50. Круг Е.К., Александриди Т.М., Дилигенский С.Н. Цифровые регуляторы. -М.- Л.: Энергия, 1966. 504 с.

51. Крутько П.Д., Максимов А.И., Скворцов Л.М. Алгоритмы и программы проектирования автоматических систем. — М.: Радио и связь, 1988. — 303 с.

52. Кузовков Н.Т., Карабанов С.В., Салычев О.С. Непрерывные и дискретные системы управления и методы идентификации. М.: Машиностроение, 1978.-222 с.

53. Ловчаков В.И., Сухинин Б.В., Фомичев А.А., Феофилов Е.И. Основы теории синтеза оптимальных систем управления электротехническими объектами. Тула: ТулГУ, 2009. - 160 с.

54. Ловчаков В.И., Сухинин Б.В., Сурков В.В. Нелинейные системы управления электроприводами и их аналитическое конструирование. Тула: ТулГУ, 1999.- 180 с.

55. Математические модели технических объектов/ В.А. Трудоношин, Н.В. Пивоварова; Под ред. И. П. Норенкова. М.: Высш. шк., 1986. - 160 с.

56. Микропроцессорные автоматические системы регулирования/ Подред. В. В. Солодовникова. — М.: Высшая школа, 1991.-255 с.

57. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003. - 440 с.

58. Огарков М.А. Методы статистического оценивания параметров случайных процессов. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 208 с.

59. Острем К., Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ: Пер. с англ. — М.: Мир, 1987.-480 с.

60. Пат. 2120654 РФ МКИ G 05 В 11/36. Пропорционально- интегрально- дифференциальный регулятор с ограничениями выходных сигналов/ А.А. Говоров, А.В. Баженов, С.А. Говоров. Опубл. в БИ. - 1998. - № 29. - 6 с.

61. Пат. 2120655 РФ МКИ G 05 В 11/36. Пропорционально- интегральный регулятор с ограничениями выходных сигналов/ А.А. Говоров, А.В. Баженов, С.А. Говоров. Опубл. в БИ. - 1998. - № 29. - 7 с.

62. Пат 2156992 РФ МПК G 05 В 11/36. Пропорционально- интегрально-дифференциальный регулятор с ограничениями выходных сигналов/ А.А. Говоров, Е.В. Кузьмичев, С.А. Говоров. Опубл. в БИ. - 2000. - № 27. - 6 с.

63. Пат 2157558 РФ МПК G 05 В 11/36. Супервизорный пропорционально- интегрально- дифференциальный регулятор/ А.А. Говоров, Е.В. Кузьмичев, С.А. Говоров. Опубл. в БИ. - 2000. - № 28. - 6 с.

64. Пат. 2161326 РФ МПК G 05 В 11/36. Регулятор с переменной структурой/ А.А. Говоров, Е.В. Кузьмичев, А.А. Лавров. Опубл. в БИ. - 2000. - № 36.-9 с.

65. Певзнер В.В. Прецизионные регуляторы температуры. -М.: Энергия, 1973.- 193 с.

66. Перельман И.И. Оперативная идентификация объектов управления. -М.: Энергоиздат, 1982. 272 с.

67. Подиновский В.В., Ногин В.Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач. М.: Наука, 1982. - 254 с.

68. Пузырев В.А. Самонастраивающиеся микропроцессорные регуляторы. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 216 с.

69. Расщепляев Ю.С., Фандиенко В.Н. Синтез моделей случайных процессов для исследования автоматических систем управления. М.: Энергия, 1981.- 144 с.

70. Рей У. Методы управления технологическими процессами: Пер. с англ. М.: Мир, 1983.- 368 с.

71. Ротач В. Я. Теория автоматического управления: соответствуют ли её положения действительности?// Промышленные АСУ и контроллеры. 2007. № 3. www.asucontrol.ru.

72. Рыжиков Ю.И. Имитационное моделирование. Теория и технологии. СПб.: КОРОНА принт; М.: Альтекс-А, 2004. - 384 с.

73. Справочник по теории автоматического управления/ Под ред. А.А. Красовского. М.: Наука, 1987. - 712 с.

74. Статистические методы в проектировании нелинейных систем автоматического управления /Под ред. Б. Г. Доступова и др. М.: Машиностроение, 1970. -408 с.

75. Стефани Е.П. Основы расчёта настройки регуляторов теплоэнергетических процессов. 2-е изд., перераб. - М.: Энергия, 1972. - 376 с.

76. Сю Д., Мейер А. Современная теория автоматического управления и её применение. М.: Машиностроение, 1972. — 552 с.

77. Таланов В.Д. Технические средства автоматизации/ Под ред. А. С. Клюева. -М.: Фирма "Испо-Сервис", 1998. 148 с.

78. Теория систем с переменной структурой / Под ред. С.В. Емельянова и др. М.: Наука, 1970. - 592 с.

79. Типовые линейные модели объектов управления/ С.А. Анисимов, И.С. Зайцева, Н.С. Райбман, А.А. Яралов; Под ред. Н.С. Райбмана. М.: Энер-гоатомиздат, 1983. — 264 с.

80. Титов Н.И., Успенский В.К. Моделирование систем с запаздыванием. Л.: Энергия, 1969. - 97 с.

81. Точчи Р.Д., Уидмер Н.С. Цифровые системы: Теория и практика. -М.: Вильяме, 2004. 1024 с.

82. Ш.Урмаев А.С. Основы моделирования на аналоговых вычислительных машинах: Учеб. пособие для втузов /Под ред. С.В. Емельянова. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1978. - 272 с.

83. Хартман К., Лецкий Э.К., Шефер В. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. — М.: Мир, 1977. — 552 с.

84. Хвощ С.Т., Варлинский Н.Н., Попов Е.А. Микропроцессоры и микро ЭВМ в системах автоматического управления. Л.: Машиностроение, 1987. - 638 с.

85. Цвиркун А.Д., Акинфиев В.К., Филиппов В.А. Имитационное моделирование в задачах синтеза структуры сложных систем: Оптимизационно-имитационный подход. — М.: Наука, 1985. 172 с.

86. Цирлин A.M. Методы усредненной оптимизации и их приложения. -М.: Наука, 1997.-304 с.

87. Чернецкий В.И. Анализ точности нелинейных систем управления. -М.: Машиностроение, 1968. — 246 с.

88. Чернецкий В.И., Дидук Г.А., Потапенко А.А. Математические методы и алгоритмы исследования автоматических систем. Л.: Энергия, 1970. -376 с.

89. Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов. М.: Химия, 1974. - 336 с.

90. Шински Ф. Управление процессами по критерию экономии энергии М.: Мир, 1981.-387 с.

91. Шура-Бура М.Р. Оценки ошибок численного интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений // Прикладная математика и механика, 1952, т. 16, № 5, с. 575 588.

92. Эрриот П. Регулирование производственных процессов. -М.: Энергия, 1967.-480 с.

93. Ackermann J. Abtast-Regelung. Berlin: Springer, 1972.

94. Astrom K.J., Hagglund T. PID Controllers: Theory, Design and Tuning. Instrument Society of America, Research Triangle Pakr, NC, USA, 1995.

95. Astrom K.J. Ostillations in systems with relay feedback/ Eds. Adaptive Control, Filtering and Signal Processing// IMA Volumes in Mathematics and its Applications, 1995, V. 5, P. 1 25.

96. Davies W. T. D. Control algorithms for DDC// Instrument Practices. — 21. 1967.-№ l.-p. 70-77.

97. Rovira A. A., Murrill P. W., Smith C. L. Modified PI algorithm for digital control// Instruments and Control Systems, Aug. 1970. — P. 101 — 102.

98. Smith C. L. Digital computer process control. Scranton: Intext Educ. Publish., 1972.

99. Патент на полезную модель по заявке № 2009148421 РФ МПК G 05 В 11/36 от 28.12.2009. Супервизорный пропорционально-интегрально- дифференциальный регулятор/ А.А. Говоров, В.Н. Болыпов. — Решение о выдаче патента от 26.01.2010.