Синтез регулятора с автонастройкой для управления технологическими процессами нефтегазовой отрасли тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Абдул Адеем Мундер Кх.

• Абдул Адеем Мундер Кх.
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Абдул Адеем Мундер Кх.

Введение.

1. Анализ систем регулирования на лабораторной установке, института нефти в Багдаде.

1.1. Функциональная схема автоматизации основных технологических параметров.

1.2. Задача выбора закона- регулирования.

1.3. Определение параметров объекта по переходным характеристикам.

1.3.1. Объект управления с самовыравниванием.

1.3.2. Объект управления без самовыравнивания.

2. Сравнительный анализ методов расчёта параметров настройки регуляторов для систем автоматического регулирования.

2.1. Настройка регулятора на основе метода Циглера-Никольса.

2.2. Настройка регулятора на основе метода Кохен-Куна. 2.3. Настройка регулятора на основе метода Чиена-Хронеса-Ресвика.

2.4. Настройка регулятора на основе метода Такахаши.

2.5. Автоматически настраивающиеся регуляторы.

3. Регулятор с автонастройкой.

3.1. Стадии автонастройки.

3.1.1. Первая стадия автонастройки.

3.1.2. Вторая стадия автонастройки.

3.1.3. Третья стадия автонастройки.

3.2. Программный модуль, реализующий регулятор с автонастройкой.

3.2.1. Назначение программного модуля.

3.2.2. Описание программного модуля.

4. Исследование типовых систем автоматического регулирования лабораторной установки.

4.1. Математическое моделирование основных процессов лабораторной установки.

4.1.1. Упрощенная функциональная схема автоматизации лабораторной установки.

4.1.2. Построение модели лабораторной установки по расходу воды.

4.1.3. Построение модели лабораторной установки по температуре.

4.1.4. Построение модели лабораторной установки по уровню.

4.1.5. Построение модели лабораторной установки по давлению.

4.2. Исследование работы алгоритма автоматической настройки регулятора на основе разработанных математических моделей.

4.2.1. Исследование системы регулирования расхода.

4.2.2. Исследование системы регулирования температуры.

4.2.3 Исследование системы регулирования уровня.

4.2.4 Исследование системы регулирования давления.

4.3. Метод адаптации параметров настройки регулятора.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез регулятора с автонастройкой для управления технологическими процессами нефтегазовой отрасли»

Современная теория автоматического регулирования является основной частью теории управления. Система автоматического регулирования состоит из регулируемого объекта и элементов управления, которые воздействуют на объект при изменении одной или нескольких регулируемых переменных. Под влиянием входных сигналов (управления или возмущения), изменяются регулируемые переменные. При построении систем автоматического управления одной из актуальных проблем является задача расчёта параметров настройки регуляторов.

Цель же регулирования заключается в формировании таких законов, при которых выходные регулируемые переменные мало отличались бы от требуемых значений. Методы расчета систем регулирования были известны давно, но практически не использовались на действующих технологических установких.

Решение данной задачи во многих случаях осложняется наличием случайных возмущений (помех). При этом необходимо выбирать такой закон регулирования, при котором сигналы управления проходили бы через систему с малыми искажениями, а сигналы шума практически не пропускались. Ситуация начала менятся с появлением микропроцессорных систем управления, чьи возможности позволяют поновому подойти к решению задачи расчёта параметров настройки регуляторов.

Теория автоматического регулирования прошла значительный путь своего развития. На начальном этапе были созданы методы анализа устойчивости, качества и точности регулирования непрерывных линейных систем. Затем получили развитие методы анализа дискретных и дискретно-непрерывных систем. В результате широкого внедрения современных систем управления на базе промышленных контроллеров на технологических установках её технический персонал стал более доверчиво относится к специалистам по автоматизации.

Можно отметить, что способы расчета непрерывных систем базируются на частотных методах, а расчета дискретных и дискретно-непрерывных — на методах z-преобразования.

В настоящее время развиваются методы анализа нелинейных систем автоматического регулирования. Появилась возможность проведения экспериментов и проверки известных алгоритмов идентификации динамических свойств объектов управления.

Вычислительные возможности технических средств современных систем управления позволяют включать в их программные обеспечения достаточно сложные алгоритмы расчетов.

Появились работы , разрабатывающие новые комплексные алгоритмы расчёта параметров настройки регуляторов, включающие эксперименты на объекте и моделирование переходных процессов на ЭВМ.

Нарушение принципа суперпозиции в нелинейных системах, наличие целого ряда чередующихся (в зависимости от воздействия) режимов устойчивого, неустойчивого движений и автоколебаний затрудняют их анализ. Как теория автоматического регулирования, так и теория управления входят в науку под общим названием «техническая кибернетика», которая в настоящее время получила значительное развитие. Техническая кибернетика изучает общие закономерности сложных динамических систем управления технологическими и производственными процессами. Техническая кибернетика, автоматическое управление и автоматическое регулирование развиваются по двум основным направлениям: первое связано с постоянным прогрессом и совершенствованием конструкции элементов и технологии их изготовления; второе — с наиболее рациональным использованием этих элементов или их групп, что составляет задачу проектирования систем.

Проектирование систем автоматического регулирования можно вести двумя путями: методом анализа, когда при заранее выбранной структуре системы (расчетным путем или моделированием) определяют ее параметры; методом синтеза, когда по требованиям к системе выбирают наилучшую ее структуру и параметры.

Формирование систем автоматического регулирования, как правило, выполняют на основе аналитических методов анализа или синтеза. На этом этапе проектирования систем регулирования на основе принятых допущений составляют математическую модель системы и выбирают её предварительную структуру. В зависимости от типа модели (линейная или нелинейная) выбирают метод расчета для определения параметров, обеспечивающих заданные показатели устойчивости, точности и качества. После этого уточняют математическую модель и с использованием средств математического моделирования исследуют динамические процессы в системе. При действии различных входных сигналов снимают частотные характеристики и сравнивают с расчетными. Затем окончательно устанавливают запасы устойчивости системы по фазе и модулю и находят основные показатели качества. Развитие теории автоматического регулирования на основе уравнений состояния, принципа максимума и метода динамического программирования совершенствует методику проектирования систем регулирования и позволяет создавать высокоэффективные автоматические системы для самых различных отраслей народного хозяйства.

В последние года этими проблемами занимались достаточно много учёных, том числе, Шубладзе А. М., Гуляев С. В ., Ким Д . П . и др.

В условиях перехода в Ираке на мирный зтап развития , строительства новых технологических установок по добыче и подготовке нефти, актуальной является задача исследования характеристик вводимых в эксплуатацию современных систем управления на пилотных технологических установках.

Данная работа посвящена разработке методов расчёта типовых систем автоматического регулирования с использованием современных информационных технологий.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Абдул Адеем Мундер Кх.

Выводы:

1. Исследования работы алгоритма автоматической настройки регулятора на базе аналитических математических моделей основных параметров технологических процессов лабораторной установки - давления, температуры, расхода и уровня показали достаточно хорошие результаты по идентификации свойств смоделированных объектов управления и определению настроечных параметров регулятора. С учетом того, что алгоритм проверялся на моделях разнородных технологических параметров (давлении, температуре, расходе и уровне) и во всех случаях показал удовлетворительные результаты, можно рекомендовать его для применения на технологических объектах газовой и нефтяной промышленности.

2. В локальных системах регулирования, где имеет место существенное изменение параметров объектов рекомендуется осуществлять корректировку (адаптацию) параметров настройки ПИДам-регулятора, которая позволяет сохранить достигаемое при начальной настройке качество переходного процесса.

Заключение

В результате исследований получены следующие результаты. 1. Проведен анализ методов расчета параметров настройки ПИД - регулятора установлено отсутствие единой методика расчета параметров настройки регуляторв для объектов нефтегазовой отрасли, качество процесса регулирования в значительный степени зависит от квалификации обслуживающего персонала (операторов). Показана актуальность задачи разработки методов автоматической настройки регуляторов. 2'. Разработана структура регулятора с автонастройкой, объединяющая процедуры идентификации объекта, расчета оптимальных настроек регулятора по критерию максимальной степени устойчивости и построения графика переходного процесса в замкнутой системе.

3. Разработан программный модуль, реализующий разработанную структуру регулятора с автонастройкой. Интерфейс модуля позволяет поэтапно проследить ход выполнения программы и наглядно представляет результаты расчетов.

4. Проведены исследования работы разработанного регулятора с автонастройкой в системах автоматического регулирования давления, температуры, расхода и уровня лабораторной установки.

5. Разработан метод адаптации параметров настройки регулятора, позволяющий сохранять достигаемое начальной настройкой качество переходного процесса при изменении параметров объекта управления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Абдул Адеем Мундер Кх., 2010 год

1. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления Автоматическое регулирование непрерывных линейных систем. М.: Энергия, 1986. - 309 с.

2. Теория автоматического регулирования техническими системами: Учебное пособие для машиностроительных и приборостроительных вузов / В .В .Солодовников, А.В.Яковлев. М.: Издат-во МГТУ, 1993. - 492 с.

3. Первозванский А.А. Курс теории автоматического управления. М.: Наука, 1986.-616 с.

4. Лукас В.А. Теория автоматического управления. М.: Недра, 1990. - 416 с.

5. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985. - 535 с.

6. Сенигов П.Н. Теория автоматического управления: Конспект лекций. -Челябинск: ЮУрГУ, 2000 93с.

7. Типы регуляторов, методика настройки регуляторов. Микрол., http://www.microl.com.ua.

8. Воронов А. А., Ким Д . П. и др., Теория автоматического управления , часть 1.Теория линейных систем автоматического управления. М:.Высшая школа, 1986. —368 с.

9. Теория автоматического управления: Учебник. В 2-х частях / Под ред. Х.А.Воронова. -М.: Высш.шк., 1986. -4.1. 367 с. - 4.2. -504 с.

10. Аязян Г.К. Расчет автоматических систем с типовыми алгоритмами регулирования: Учеб. пособ. Уфа.: Изд-во УНИ, 1986. -135 с.

11. Попов Е. П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. — М.: Наука, 1978.

12. Попов Е. П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М., Наука, 1989.

13. Ротач В.Я. Теория автоматического управления.МЭИ, 2004.

14. Foxboro Company , Basics of Proportional-Integral-Derivative Control , Control Engineering,, USA , March 1998.

15. Lewis M. Gordon, Feedback Control Modes, Process Automation Series, Foxboro-McGraw-Hill, Inc., 1985, pl7.

16. Ерофеев А.А. Теория автоматического управления. СПб: Политехника, 1998.-294 с.

17. Первозванский А.А. Курс теории автоматического управления. М.: Наука, 1986.-616 с.

18. Архангельский В. П., Богаенко И. Н., Рюмшин Н. А., Интегрированные АСУ в промышленности, К.:НПК «Киевский институт автоматики», 1995.

19. Система автоматического регулирования, библиотека 5баллов.ги .

20. Ogata, Katsuhiko, Modern Control Engineering , Englowood Cliff, USA, 1980.

21. Shinskey F.G., Frase L .E . Process control system , Mcgraw-Hill Book Company, NewYork, USA, 1979 .

22. Foxboro , Mass.A.Chusetts : The Foxboro Company , USA , 1980 .

23. Shinskey F.G. , Feedback Controllers for the Process Industries, Mcgraw- Hill, New York, ppl43-148 , 1994.

24. C.A. Smith and A.B. Corripio. Principle and Practice of Automatic Process Control. John wiley and sons, New York, 1985.

25. Abdul Adheem M.K., The clarifying and simplifying of the spec systems concept and the way of developing it, University of technology, Baghdad 1995 .

26. Shinskey F.G. Process Control Systems: Applications, Design and Adjustment.

27. McGraw-Hill, New York, 1988. ' t

28. Comparison of PID Control Algorithms, ExperTune, Inc., http://www.expertune.com/artCE87.html.

29. Ang K.H., Chong G., Li Y. РШ control system analysis, design, and technology // IEEE Trans, on Control Systems Technology. July 2005.Vol. 13. No. 4. P. 559576.

30. Astorn K.J., Hagglund T Advanced PID control. — ISA (The Instrumentation, System, and Automation Society), 2006. — 460 p.

31. John A.Shaw,"PID Algorithms and Tuning Methods. Process Control Solutions", Rochester, New York, 2001.

32. Клиначев H. В. Теория систем автоматического регулирования и управления: Учебно-методический комплекс. Offline версия.-http://vissim.nm.ru/taulec.html,Челябинск, 2003.

33. Турецкий X. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием.-М.: Машиностроение, 1974.

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

35. Ротач В.Я. Автоматизация настройки систем управления. -М.: Энергоиздат, 1984.

36. Стефани Е.П. Основы расчета настройки регуляторов. ~М.: Энергоиздат, 1982.

37. Ротач В.Я. Расчет настройки промышленных систем регулирования. -М.: Энергоиздат, 1984.

38. Кротов А.В. Компьютерный практикум по курсу « Технические средства автоматизации » . М .: РГУ нефти и газа им . И.М. Губкина, 2008 г. - 77с.

39. Ziegler J.G., Nichols N.B., Optimum Settings for Automatic Controllers, Trans. ASME, Nov. 1942, pp. 759-768.

40. Vance VanDoren, "Zieglar-Nichols Methods Facilitate Loop Tuning", Control Engineering Online, Sept, 1998.

41. G.H. Cohen and G.A. Coon. Theoretical considerations of retarded control . Trans. ASME, (75):827- 834, 1953.

42. Chien K.L., Hrones J.A., Reswick J.B. On automatic control of generalized passive systems // Trans. ASME. 1952. Vol. 74. P. 175185.

43. Abdul Aziz Ishak, Muhammed Azlan Hussain. "Reformulation of the Tangent Method for PID Controller Tuning". Department of Chemical Engineering Faculty of Engineering, Universiti Malaya. 50603 Kuala Lumpur, Malaysia.

44. Chesmond С . J ., Control System Technology, Edward Arnold , USA , 1986.

45. Thomas B. Kinney, Tuning Process Controllers, Chemical Engineering, McGraw-Hill, New York, Sept. 1983.

46. Armando B. Carripio, Tuning of Industrial Control Systems, Instrument Society of America, pp40-47, 1990.

47. JingChung Shen, HuannKeng Chiang. PID tuning rules for second order systems // Control Conference, 2004 (5th Asian), 2023 July 2004. Vol. 1. P. 472477.

48. Techmation. Protuner. Application manual, www.protuner.com .

49. Leva A., Cox C., Ruano A. Hands-on PID autotuning: a guide to better utilisation. IFAC Professional Brief, http://www.ifac-control.org. - 84 p.

50. G.H. Cohen and G.A. Coon. Theoretical considerations of retarded control . Trans. ASME, (75):827- 834, 1953.

51. Мазуров В. M., Спицын А. В., Адаптивная настройка регуляторов в Трейс Моуд: основы теории и практическая демонстрация. 8-я международная конференция «Разработка "АСУ ТП в системе Трейс Моуд: задачи и перспективы». 2002.№ 10.

52. Ротач В.Я. Расчет настройки реальных ПИД регуляторов // Теплоэнергетика. 1993. №10.

53. Ротач В.Я. К расчету систем автоматического регулирования со вспомогательными информационными каналами методом многомерного сканирования // Теплоэнергетика. 2001. №11 .

54. Автонастройка ПИД-регуляторов НПФ "КонтрАвт"., http://www.contravt.ru .

55. Деменков Н.П. Программные средства оптимизации настройки систем управления. Учебное пособие. — М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2006.

56. Смирнов Н.И., Сабанин В.Р., Репин А.И. Структурная реализация и оптимальная настройка многопараметрического ПИДД2 регулятора с реальным дифференцированием // Промышленные АСУ и контроллеры . 2007 , №11.

57. Мазуров В.М. Курс лекций. Кафедра ATM. Тульский Государственный университет, 2003.

58. Особенности построения систем регулирования с использованием адаптивных технологий управления., http://www.adastra.ru .

59. Стефани Е.П. Основы построения АСУ ТП: Учеб. пособ. -М.: Энергоиздат, 1982. -352 с.

60. Шубладзе А .М . Способы синтеза систем управления максимальной степени устойчивости // Автоматика и телемеханика. 1980. № 1 С. 28-37 .

61. Шубладзе А. М. Методика расчета оптимальных по степени устойчивости ПИД- законов управления. II // Автоматика и телемеханика. 1987. - № 6.1. С.50 59.

62. Шубладзе А. М. Достаточные условия оптимальности структур в устойчивости. II // Автоматика и системах максимальной степени елемеханика.-1997.-№ 8. С. 67-79.

63. Шубладзе А. М. Достаточные условия оптимальности структур в системах максимальной степени устойчивости произвольного вида // Автоматика и телемеханика. 1999. - № 8. - С.43 - 57.

64. Черепова Т. И., Шубладзе А. М. Оптимальные по степени устойчивости системы управления апериодическими объектами // Автоматика и телемеханика.- 2004. № 1.

65. Кузнецов С. И., Шубладзе А. М. Оптимальные по степени устойчивости параметры ПИД систем управления типовыми промышленными объектами // Датчики и системы. 2007- № 5.- С. 21- 23.

66. Шубладзе А. М., Гуляев С. В., Шубладзе А.А. Адаптивные автоматически настраивающиеся промышленные регуляторы // Автоматизация в промышленности. 2003, №1.

67. Ордынцев В.М. Математическое описание объектов автоматизации 1965.1.с.6-9.360 с.