Информационные представления адаптивного трехпозиционного алгоритма для его аппаратных и программных реализаций

Серия История. Политология. Экономика. Информатика. 2011. № 1 (96). Выпуск 17/1

УДК 681.513.67

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ АДАПТИВНОГО ТРЕХПОЗИЦИОННОГО АЛГОРИТМА ДЛЯ ЕГО АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ РЕАЛИЗАЦИЙ

Объекты с позиционным управлением являются довольно распространенными как в промышленности, так и в быту. В промышленности доля таких объектов составляет порядка 15-20%, а в бытовой технике - 80-90%. Примерами таких объектов являются водогрейные котлоагрегаты, бытовые и промышленные холодильники, системы отопления жилых помещений, электрические печи и нагреватели, экструдеры, прессовое оборудование и др.

Несмотря на возможности современной контроллерной техники, управление названными объектами в настоящее время осуществляется в большинстве случаев с применением простейших двух- либо трехпозиционных алгоритмов, что не обеспечивает достаточное качество регулирования.

На кафедре «Техническая кибернетика» БГТУ им. В.Г. Шухова на протяжении ряда лет разрабатываются программно-аппаратные регуляторы и приставки адаптивного позиционного регулирования и нечеткого позиционного управления. Их внедрение улучшает показатели качества названных выше систем со всеми вытекающими из этого результатами. Кроме того, это позволяет снижать энергопотребление объектов на 5~7%> а в ряде случаев на 10-12%.

Ниже рассмотрена блок-схема адаптивной трехпозиционной приставки, ориентированная на ее аппаратную реализацию в соответствии со способом по патенту РФ №2220432 [1], и описан алгоритм ее работы, а затем рассмотрено два варианта написания этого алгоритма (в виде блок-схемы и графа операций) для его программной реализации.

Суть приставки заключается в преобразовании традиционного трехпозицион-ного алгоритма с фиксированными позициями в алгоритм с адаптивной средней позицией. При этом в приставке обеспечивается бесконтактность подключения функционального звена перенастройки (ФЗП) в сравнении, например, с контактным его подключением [2], что повышает надежность работы приставки при ее аппаратной реализации. Бесконтактность подключения ФЗП достигается его подключением на выход аппаратного трехпозиционного регулятора с фиксированными позициями параллельно с усилительным звеном с коэффициентом усиления К>2 и последующей подачей суммарного сигнала этих двух параллельных ветвей на звено типа насыщения с единичным коэффициентом усиления и значениями сигналов насыщения, равными значениям крайних позиций исходного трехпозиционного регулятора относительно

Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова

В.А. ПОРХАЛО

A.Г. БАЖАНОВ

B.З. МАГЕРГУТ

Рассмотрены различные информационные представления адаптивного трехпозиционного алгоритма, описанного в способе по патенту РФ №2220432. Варианты программной реализации алгоритма рассмотрены с проведением аналогий с принципами его аппаратной реализации и с отражением особенностей вариантов, в том числе, в части реализации адаптивной приставки. Приведены достоинства этих представлений в зависимости от вида реализации. Описана программная АСР температуры нагревательного элемента и приведены сравнительные результаты ее работы с системой традиционного трехпозиционного регулирования.

e-mail: porhalo@mail.ru

Ключевые слова: трехпозиционный, адаптивный, регулятор, качество, система, структура, управление, эксперимент.

средней. Принцип работы устройства демонстрируется блок-схемой, показанной на рис.1.

л/

ит Ч

Ч ,,,

а ^

и„ 1 1-ди, 1

! !

V Уг

Г- и,

9, * аи- —-1—

>] 0ч, -аи.

в„ ! / ' ди., д

Рис. 1. Блок-схема работы адаптивного трехпозиционного алгоритма

На схеме цифрами обозначены: 1 - элемент сравнения, 2 - пороговые устройства переключения позиций, з - трехпозиционный регулятор с фиксированными позициями и зоной нечувствительности, 4 - алгебраический сумматор, 5 - усилительное звено с коэффициентом усиления, равным или большим двух (К>2); 6 - функциональное звено перенастройки (ФЗП); 7 - звено памяти (П) сигнала ФЗП; 8, ю -сумматоры; 9 - звено типа насыщения. Элемент сравнения 1 предназначен для сравнения сигналов задания зоны нечувствительности и У2 с сигналом У регулируемой величины.

Пороговые устройства 2 обеспечивают пороговые (скачкообразные) изменения сигналов, соответствующих позициям регулятора, причем значения сигналов крайних позиций - верхней ив и нижней Ин имеют равные по модулю значения | Аих| относительно сигнала средней позиции Иср. Переключение сигналов позиций с нижней на среднюю или со средней на верхнюю (или наоборот) происходит при достижении регулируемой величиной У соответствующих сигналов заданий зоны или У2. То есть, переключение имеет место при вхождении (или выбеге) регулируемой величины в зону (из зоны) нечувствительности АУ = У-2 - У!, которая также является фиксированной. Выходным сигналом И1 пороговых устройств 2 является один из сигналов позиций Ив, Иср или Ин.

Элемент сравнения 1 совместно с пороговыми устройствами 2 образуют трехпозиционный регулятор з с фиксированными позициями - нижней, средней, верхней и зоной нечувствительности АУ, на выходе которого при достижении сигналом регулируемой величины У сигналов задания зоны нечувствительности и У2 появляются сигналы соответствующих позиций Ин, Иср или Ив.

На положительный вход алгебраического сумматора 4 подается выходной сигнал И! трехпозиционного регулятора 3, а на отрицательный - опорный сигнал, равный значению сигнала средней позиции Иср трехпозиционного регулятора 3. Выходной сигнал Д алгебраического сумматора 4, равный нулю при И1 = Иср или ± Д II, при Ц1= Ив или II, = Ин подается одновременно на усилительное звено 5 с К>2 и ФЗП 6.

ФЗП выбирается в зависимости от желаемого вида реализации адаптации средней позиции: дискретного или аналогового. Так, при аналоговой реализации ФЗП в качестве него берется, например, интегрирующее звено с передаточной функцией

^ (* ) = ^ ,

Ти • *

где Ти - время интегрирования (параметр настройки ФЗП), э - оператор Лапласа, реализующее линейное изменение адаптивной средней позиции в соответствии с уравнением

£2 =

и

Ти

или апериодическое первого порядка с передаточной функцией

W (s ) =

1 + TA • s

где Га - постоянная времени звена (также параметр настройки ФЗП), реализующего экспоненциальное изменение адаптивной средней позиции в соответствии с уравнением

g 2

А,

где в (2), (4) и - время нахождения (выбега) регулируемой величины вне (из) зоны нечувствительности AY, а А = Ui-Ucp.

При дискретном выборе реализации адаптивной средней позиции на выходе ФЗП сигнал g2 изменяется скачком на какую-то величину Ag2.

Последовательно с ФЗП в случае его реализации в виде апериодического звена первого порядка включается звено памяти у запоминания сигнала ФЗП, имеющего место в моменты переключения входного сигнала на ФЗП с сигнала крайней позиции на среднюю, то есть в моменты появления сигнала А=о. Такое звено памяти (П) удерживает значение сигнала ФЗП, соответствующего значению вновь сформированного сигнала адаптивной средней позиции, при вхождении регулируемой величины Y в зону нечувствительности AY и переключении регулятора з на среднюю позицию. При реализации ФЗП в виде интегрирующего звена необходимость в звене памяти 7 отпадает, так как при переключении регулятора з на среднюю позицию сигнал А=о и сигнал в соответствии с (2) перестает изменяться, то есть запоминается. То же происходит и при дискретном изменении сигнала в ФЗП, так как такое запоминание происходит путем конструктивного выполнения ФЗП.

На представленной на рисунке 2 блок-схеме программной реализации алгоритма блоки 2-8 соответствуют обычному трехпозиционному алгоритму, то есть блоку 3 на рис. 1, а блоки 9-27, обведенные в пунктирную рамку, соответствуют программной приставке, которая позволяет реализовать адаптивный трехпозиционный алгоритм (программный аналог аппаратной приставки на рисунке 1, то есть его части после исключения блока 3). Переменные блок-схемы, соответствуют рис. i за исключением timen и timer2, которые являются таймерами определяющими время, через которое происходит перенастройка звена ФЗП приставки по выходу из средней позиции на верхнюю или нижнюю позицию. Они необходимы только в программной реализации вследствие быстродействия контроллера и слишком быстрого перестроения ФЗП.

Сигналы после усилительного звена 5 - gl (блок ю на рис. 2) и после ФЗП 6 и звена памяти 7 - g2 (блок 19 на рис. 2) суммируются на сумматоре 8 (блок 20 на рис. 2) и подаются на элемент насыщения 9 (блоки 21 - 26 на рис. 2), который конструктивно может быть выполнен в виде двух последовательно соединенных ограничителей сиг-

Рис. 2. Блок-схема программной реализации алгоритма

1

Серия История. Политология. Экономика. Информатика. 2011. № 1 (96). Выпуск 17/1

налов, один из которых настроен на ограничение сигнала по минимуму, а другой - по максимуму, причем значения этих ограничений соответствуют значениям \AXJi |.

Сигнал на выходе элемента насыщения 9 (на входе блока 27 на рис. 2) в точности соответствует сигналам крайних позиций регулятора 3 относительно сигнала его средней позиции 11ср при нахождении регулируемой величины У вне его зоны нечувствительности ДУ и сигналу адаптивной средней позиции, обеспечиваемой ФЗП, при нахождении регулируемой величины в зоне регулятора 3. При этом никаких контактных устройств подключения ФЗП схема на рис. 1не содержит.

Для перехода к реальным сигналам, воздействующим на объект управления -и3, сигнал с выхода звена насыщения 9 и2 суммируется на сумматоре 10 (блок 27 на рис. 2) с сигналом Иср, то есть и3=и2+иср.

Предлагаемый алгоритм целесообразно применять для преобразования традиционного трехпозиционного алгоритма с фиксированными позициями в адаптивный с адаптивной средней позицией путем подключения к выходу традиционного трехпозиционного аппаратного регулятора приставки, содержащей звенья 4-10 в соответствии с рисунком 1, или к выходу традиционного трехпозиционного программного регулятора программной приставки, содержащей блоки 9-27 в соответствии с рис. 2.

Отметим также, что в случае нулевого сигнала средней позиции трехпозиционного регулятора 11СР=о сигнал выхода последнего можно непосредственно подавать на параллельно включенное усилительное звено 5 с К>2 и ФЗП 6 с последовательно соединенным с ним звеном памяти (П) 7, то есть исключить из цепочки передачи сигналов алгебраический сумматор 4, а также за выходной сигнал предлагаемого регулятора брать сигнал Ш с выхода звена типа насыщения 9, то есть исключить из схемы также и последний сумматор 10. Аналогично соответствующие блоки (9 и 27 на рис. 2) можно исключить при программной реализации алгоритма. Наконец отметим, что в реальной программе выходной сигнал блока 27 подается на реальный объект управления через ШИМ блок, а с объекта, в виде сигнала с датчика, на блок 2 блок-схемы. С этого же блока подается «фиктивная» команда на прекращение работы программы.

Программная реализация трехпозиционного адаптивного алгоритма в виде помеченной сети Петри (графа операций) [3] представлена на рис. 3. Здесь можно выделить алгоритм трехпозиционного регулятора (позиции Рг, Р2, Р3) и алгоритм программной приставки, реализующей адаптацию (позиции заключенные в пунктирный прямоугольник). Обозначения и пометки операций и переходов этой помеченной сети Петри представлены в таблице 1.

Представление алгоритма в виде помеченной сети Петри дает возможность реализации алгоритма с помощью универсальной программы логического управления (УПЛУ) [4], что намного упрощает механизм реализации программы, поскольку в УПЛУ достаточно вписать лишь шесть матриц, описывающих структуру и работу графа операций.

Для проверки алгоритма была собрана система управления нагревательным элементом. Элемент представляет собой коммутируемую спираль, изготовленную из нихромовой проволоки. Для коммутации используется высоковольтное реле с логическим управлением потенциалом 24В. В качестве устройства управления использовался контроллер Siemens S7 200 CPU-224, для измерения температуры дополнительно использовался модуль ввода аналоговых сигналов ЕМ231.

Таблица 1

Обозначения датчиков, команд, исполнительных устройств и условий их срабатывания, пометки переходов и позиций сети Петри адаптивного трехпозиционного алгоритма

Обозначения датчиков, исполнительных уст- Пометки Обозначения и пометки по-

ройств, переменных, таймеров переходов зиций

1 2 3

Х1 - датчик выхода за нижнюю зону нечувстви- to: Yo Р0: начальная позиция сети

тельности трехпозиционного регулято- Рср: средняя фиксированная

ра X, = У < ух, X = У > у toi X 2 X J позиция

Рь верхняя фиксированная

Х2 - датчик превышения верхней зоны нечувст- ti: X JX 2 позиция

вительности трехпозиционного регулятора _

X 2 = У > У2, X 2 = У < У2 t2: X1X 2 Ггь л Гср

X1X 2 Р2: нижняя фиксированная

уо-команда на включение ПЛК t3: позиция

у1-перестроение 3-х позиционного неадаптиро- t4: Yib Гш л У\ср

ванного регулятора

{уш(и!=ив), уш(и1=ин), у1ф(и1=иср)} t5: Yh Р3: вычисление

уг-флаг выполнения операции Р3 Ъ = (и, - иср)- 2г2

Уз-флаг перестроения ФЗП t6: Yjcp

у4-флаг выполнения операции ФЗП + Р3 Р4: запуск таймера 111

у5 условие (ФЗП+Р3)<-Ди1 t7: T Р5: запуск таймера ш

уе условие (ФЗП+Р3)> ДИ! t8: T 2 Ре: выключение таймеров

Х1-сработал таймер 111 нахождения в верхней по- и, и 2 Р7: перенастройка ФЗП

зиции тг-сработал таймер и2 нахождения в нижней по- t9: yiTi

зиции tio Y2Y3 (фзп+дфзп) л узи,

у7-флаг окончания построения звена, насыщения) {у7в (Иср+ДиО, у7н(иСр -ДиО tn: y2T2 Ре: перенастройка ФЗП

у7сР(ФЗП+Р3)+иср))} tl2 Y2Y3 (фзп-дфзп) л уъи2

Ъв, Ъа, 2с? - флаги соответствия верхнему, ниж- Р9: вычисление 0=01+02

нему и среднему насыщению tl3- Y2 Рю: верхняя позиция зоны

ш-таймер 1 Y4Y6 насыщения

ш-таймер 2 tl4' у7 в л 2в л 2н л 2ср

Y4Y5

tl5- Рп: нижняя позиция зоны на-

ti6. Y 4YY6 сыщения

Y7в у 7 н л 2в л 2н л 2ср

tl7-

Р12: выход из зоны нечувстви-

ti8 Y7h тельности СП)

tl9 Y7ср у7ср л 2в л 2н л 2ср

Система управления изображена на рис. 4. В состав системы управления входит контроллер (К), в котором зашит алгоритм регулятора, термопара Метран-286-02 (Т), измеряющая значение температуры, модуль ввода (МБ), преобразующий сигнал термопары в сигнале уровня 4-20 мА, реле (Р) для коммутации нагревателя и блок питания (БП).

Серия История. Политология. Экономика. Информатика. 2011. № 1 (96). Выпуск 17/1

Далее представлены графики, полученные при работе установки по адаптивному трехпозиционному алгоритму, описанному в патенте РФ №2220432 и реализованному теперь программно по блок-схеме рис. 2, а также по алгоритму с типовым неадаптивным трехпозиционным алгоритмом. Улучшение качества работы адаптивного регулятора можно однозначно определить при сравнении трендов, представленных на рис. 5 и 6.

Рис. 4. Функциональная схема системы регулирования температуры

На рис. 5 представлен тренд работы традиционного трехпозиционного (неадаптивного) алгоритма управления, где 1 - измеренное значение температуры, 2 - задание, 3 и 4 - соответственно верхняя и нижняя граница зоны нечувствительности, 5 - мощность ШИМ сигнала (время включение нагревателя, максимум-юо%).

Рис. 5. Тренд работы нагревателя при традиционном (неадаптивном) трехпозиционном

алгоритме регулирования

Как видно, неадаптивный алгоритм не в состоянии стабилизировать температуру в заданном интервале зоны, причем, наблюдается неудовлетворительное качество регулирования.

На рисунке 6 представлен тренд работы адаптивного трехпозиционного алгоритма управления, из которого видно, что стабилизация режима работы нагревателя происходит достаточно быстро, а температура входит в заданные границы зоны. Отметим, что на рис. 5 и 6, из-за трудности показа адаптации средней позиции с использованием ШИМ сигнала (в силу большой скорости переключения), это сделано в аналоговой его интерпретации.

Отметим, что даже при снижении значения средней позиции неадаптивного трехпозиционного регулятора до 30% вместо 50% его работа не может приблизиться к качеству и скорости работы адаптивного трехпозиционного алгоритма.

Программная реализация адаптивной приставки была выполнена в среде Siemens Step7 Micro Win на контроллере Siemens S7-200 CPU-224, а весь алгоритм был собран в единый функциональный блок. На рис. 7 представлен универсальный FBD-блок, представляющий собой программную реализацию адаптивной приставки, который может включаться в библиотеку программирования среды Siemens Step7 и позволяет использовать этот блок для аналогичных задач адаптивного трехпозиционного регулирования.

Рис. 6. Тренд работы нагревателя при адаптивном трехпозиционном алгоритме регулирования

Таким образом, имеем несколько различных представлений адаптивного трех-позиционного алгоритма: в виде блок-схем аппаратной (рисунок 1) или программной (рис. 2) реализаций, помеченной сети Петри (рис. з) и РВБ-блока (рис. 7), что позволяет использовать их для тех или иных целей, причем, каждый из вариантов представления имеет свою преимущественную область применения.

В целом же, анализируя результаты экспериментов, можно сделать вывод, что трехпозиционный адаптивный алгоритм является предпочтительным для использования в системах позиционного регулирования, особенно, с меняющейся нагрузкой объекта, поскольку он как улучшает качество АСР, так и приводит к экономии энергии.

Network 2 Испльзование адаптивноготренпозиционного закона

AlwaysOn— AdaptOff— Temperature— T_zad— T_zona_nechuvstv— FZP_delta— V_min— V_max— 300-

Adapl_3_pos

EN

Adapt"

AIN U co-

A_req Output

D_sp~ A_max

FZP_~ A_miri

U_min

U_max

T out

— NAdapt_out —Adapt_out

— T_max

— T_min

Symbol Address Comment

Adapt_out VD24 Выход адаптивного трехпозиционного закона REAL

AdaptOff M0.0 Бит выключения адаптивного алгоритма

AlwaysGn SMO.O Всегда 1

FZP delta VD20 Шаг адаптации средней позиции REAL

NAdapt_out VD28 Выход неадаптивного трехпозиционного закона REAL

T max VD46 Верхняя граница средней зоны

T min VD50 Н ижняя граница средней зоны

T zad VD4 задание температуры

T zona nechuvstv VD8 зона нечувствительности для регулятора

T emperature VDO Температура реальное значение

V max VD12 Управление по верхней позиции

V_min VD16 Управление по нижней позиции

Рис. 7. Программный блок, реализующий адаптивный трехпозиционный алгоритм

Указанный алгоритм также апробирован на промышленных объектах, а именно, внедрен для регулирования плотности текучей смеси в шламосмесителе на ОАО «Себряковцемент», существенно зависящей от состава подаваемых в шламос-меситель компонентов, что доказывает его применимость в реальных производственных условиях.

Работа выполнена в рамках проекта 2.1.2/1183 «Программно-аппаратные приставки адаптивного позиционного регулирования для систем регулирования промышленных и бытовых объектов» по аналитической ведомственной целевой программе «<Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)».

Литература

1. Пат. 2220432 Российская Федерация, МПК? G 05 В 13/02, G 05 В 11/18. Способ реализации трехпозиционного регулятора / Магергут В.З., Соболев A.B., Вент Д.П., Аль Таамнех Мо-

хаммед; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. - №2001101600; за-явл.18.01.2001; опубл.27.12.2003, Бюл. №36. - 9 с.

2. Магергут, В.З. Выбор промышленных регуляторов и расчет их оптимальных настроек: монография / В.З. Магергут, Д.П. Вент, И А Кацер. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2009. - 239 с.

3. Юдицкий, С.А. Логическое управление дискретными процессами. Модели, анализ, синтез: монография / С.А. Юдицкий, В.З. Магергут - М.: Машиностроение, 1987. - 176 с.

4. Магергут, В.З. Разработка и применение программ логического управления и адаптивной настройки регуляторов в управлении технологическими процессами / В.З. Магергут, Д.П. Вент, А.В. Ермолаев. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова,- 2003. - №6. - С. 164-166.

INFORMATION REPRESENTATIONS OF ADAPTIVE THREE-POSITION ALGORITHM FOR ITS

HARDWARE AND SOFTWARE REALIZATION

V. A. PORKHALO A.G. BAZHANOV V.Z. MAGERGUT

This article is concerned with different information representations of adaptive three-position algorithm described in method based on patent (RF) 2220432. Versions of the software algorithm realization are considered with draw an analogy with principles of its hardware realization and with reflection of versions specificity, including in the part of adaptive attachment realization. Also in this article are presented advantages of these representations according to the kind of realization. Here are described software automatic control system of the heater element's temperature and represented comparative results of its work with system of traditional three-position regulation.

Belgorod state technological university named after V.G. Shoukhov

e-mail:

Porhalo@mail.ru

Key words: three-position, controller, regulator, quality, system, structure, control, experiment.