СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ
METHOD OF REDUCING FLUCTUATIONS IN CONTROL SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу управления замкнутой системой управления, машиночитаемому носителю, хранящему команды для процессора, осуществляющего данный способ, и к управляющему устройству, в частности, исполнительному устройству, предусматривающему возможность его применения в качестве компонента системы, управляемой в системе управления.
Уровень техники
ПИД-регуляторы, обеспечивающие пропорциональное, интегральное и дифференциальное регулирование, являются весьма распространенным средством управления промышленными процессами. Крупномасштабные технологические процессы требуют применения большого количества таких регуляторов. ПИД-регуляторы представляют собой стандартизированную продукцию и изготавливаются крупными сериями. Все чаще и чаще используют регуляторы на основе микрокомпьютеров, позволяющие осуществлять более сложные управляющие функции.
В управляющем сигнале, передаваемом от ПИД-регулятора управляемым элементам, могут возникать колебания, вызванные неправильными установками параметров регулятора или же изменениями характеристик технологического процесса. Такие колебания могут служить причиной износа управляемых элементов, в частности исполнительных устройств и клапанов. Кроме того, из-за таких колебаний управление процессом может осуществляться неоптимальным образом.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение направлено на устранение вышеуказанных проблем.
Для решения поставленной задачи предложен способ осуществления управления системой управления, управляемой контроллером, в соответствии с которым, указанный контроллер подает управляющий сигнал на по меньшей мере одно управляющее устройство указанной системы, например на клапан, причем в соответствии с указанным способом выполняют следующие этапы:
- определяют колебательность указанного управляющего сигнала, подаваемого на указанное управляющее устройство, путем вычисления коэффициента затухания;
- усиливают управляющий сигнал с коэффициентом усиления, величину которого определяют на основании вычисленного коэффициента затухания.
Данный способ позволяет изменять параметры управляющего устройства при обнаружении колебаний. При этом минимизируется колебательность, что позволяет уменьшить износ управляющих устройств и увеличить интервалы между циклами технического обслуживания. Кроме того, за счет уменьшения колебаний в управляющем устройстве снижается потребление энергии этим устройством и улучшается управление.
Колебательность является показателем степени проявления колебаний в сигнале, подаваемом на управляющее устройство и показателем устойчивости контура управления. Высокая колебательность указывает на то, что система управления неустойчива или близка к неустойчивому состоянию.
Управляющее устройство может представлять собой, например, исполнительное устройство клапана или аналогичное средство.
Контроллер может представлять собой, например, пропорционально-интергрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор), пропорционально-инетегральный регулятор (ПИ-регулятор), пропорционалый регулятор (П-регулятор) или же регулятор иного типа.
Система управления может представлять собой как замкнутую систему управления, так и иную систему управления.
В соответствии с одним из вариантов осуществления указанную колебательность определяют путем вычисления коэффициента затухания, который затем используют для определения упомянутого выше коэффициента усиления. Вычисление коэффициента затухания является особенно простым способом определения колебательности.
Выбирают диапазон оптимальных значений коэффициента затухания, при этом если коэффициент затухания находится в данном диапазоне, коэффициент усиления принимают равным 1.
В соответствии с другим вариантом осуществления при снижении коэффициента затухания ниже указанного оптимального значения, используют коэффициент усиления больше 1. Это может улучшить управление, в случае, например, слишком длительного времени отклика замкнутого контура.
В одном из вариантов осуществления при повышении коэффициента затухания до величины, превышающей оптимальное значение, используют коэффициент усиления меньше 1. Это может уменьшить перерегулирование и колебания в управляющем устройстве в замкнутом контуре.
В одном из вариантов осуществления способ дополнительно включает этап определения усиления управляющего сигнала для всего рабочего диапазона указанного управляющего устройства на основе определенной величины коэффициента усиления.
В соответствии с одним из вариантов осуществления указанный способ определения усиления для всего рабочего диапазона включает этапы, на которых:
- определяют значение усиления по меньшей мере для трех предварительно заданных рабочих точек, выбранных из всего рабочего диапазона,
- интерполируют указанные значения усиления.
В соответствии с одним из вариантов осуществления усиление управляющего сигнала должно находиться в диапазоне, ограниченном предварительно заданными максимальным и минимальным значениями. В противном случае постоянные периодические возмущения могут привести к тому, что усиление управляющего сигнала упадет до нуля.
Кроме того, изобретение относится к машиночитаемому носителю, на котором записаны команды для процессора, осуществляющего выше описанный способ.
Кроме того, изобретение относится к исполнительному устройству, например, клапана, являющемуся частью системы, управляемой в системе управления контроллером, подающим управляющий сигнал на указанное управляющее устройство, содержащее:
- средства для определения колебательности указанного управляющего сигнала, поступающего от указанного контроллера, путем вычисления коэффициента затухания;
- средства для усиления указанного управляющего сигнала с коэффициентом усиления, выбранным на основании вычисленного коэффициента затухания.
Изобретение также относится к системе управления, содержащей управляющее устройство по любому из пунктов 10-12.
Краткое описание чертежей
Ниже описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения со ссылками на чертежи, на которых:
на Фиг.1 показан замкнутый контур управления и этапы предложенного способа управления;
на Фиг.2 проиллюстрирована зависимость между измеренным коэффициентом затухания и коэффициентом усиления,
на Фиг.3 показаны замкнутый контур управления и дополнительные этапы предложенного способа управления,
на Фиг.4 проиллюстрировано усиление в управляющем устройстве (клапане), которое получено интерполированием трех рабочих точек,
на Фиг.5 показано изменение усиления в трех рабочих точках после обнаружения колебаний,
на Фиг.6 проиллюстрирован способ обнаружения колебаний в управляющем сигнале.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 показана замкнутая система 100 управления. Система включает в себя ПИД-контроллер 101, входным сигналом для которого является ошибка е регулирования, причем ошибка регулирования представляет собой разность уставки r и выходного сигнала процесса. По ошибке регулирования ПИД-контроллер рассчитывает выходной сигнал контроллера, который поступает в систему 103 в качестве управляющего сигнала. Управляющий сигнал передается в управляющее устройство УУ (CU) 105, например, исполнительное устройство клапана или аналогичное устройство, которое может оказывать воздействие на указанную систему. В ответ на управляющий сигнал управляющее устройство оказывает воздействие на процесс Gp(s). Если управляющее устройство представляет собой исполнительное устройство клапана, то его ответом на управляющий сигнал будет изменение степени открытия данного клапана.
В соответствии с настоящим изобретением, выходной сигнал контроллера 101 не используют непосредственно в качестве управляющего сигнала для управляющего устройства 105, а обрабатывают в соответствии с алгоритмом, проиллюстрированным блок-схемой 109. Управляющий сигнал на этапе 111 (F_CI) пропускают через фильтр нижних частот, после чего на этапе 113 (OSC) определяют, имеются ли в этом сигнале колебания. При наличии колебаний, на этапе 115 (A_CI) управляющий сигнал усиливают с коэффициентом усиления, значение которого обычно меньше 1, чтобы ослабить управляющий сигнал, подаваемый на управляющее устройство. Если колебания не выявлены, выполнение алгоритма завершают, переходя к этапу 117 (Е). Описанный алгоритм могут осуществлять каждый раз, когда выполняется общая программа управления процессом, например, постоянно, благодаря чему выявление колебаний сразу же после их возникновения становится неотъемлемой частью определения величины управляющего сигнала, подаваемого на управляющее устройство.
Помимо выявления колебаний, определяют также их интенсивность, на основании которой определяют величину коэффициента усиления.
Коэффициент затухания колебаний вычисляют следующим образом:
Коэффициент затухания КЗ (DR)=(пик 1 - пик 2) / (пик 3 - пик 4),
где пик 1 - последний пики пик 4 - первый обнаруженный пик.
Высокие значения коэффициента затухания означают, что колебания проявлены в значительной степени, и система близка к неустойчивости. Значения коэффициента затухания выше 1 свидетельствует о том, что система неустойчива.
На Фиг.2 проиллюстрирована зависимость между расчетным коэффициентом затухания КЗ (DR) и коэффициентом усиления КУ (MF). В качестве оптимального значения коэффициента затухания принимают значение, находящееся в диапазоне от 0,15 до 0,25 (участок 201). Если измеренный коэффициент затухания КЗ (DR) находится в указанном диапазоне, то коэффициент усиления принимают равным 1, а управляющий сигнал не изменяют.
Выявление более низкого коэффициента затухания свидетельствует о том, что ослабление управляющего сигнала слишком велико, и коэффициенту усиления присваивают значение выше 1, чтобы усилить входной сигнал, подаваемый на управляющее устройство. По мере уменьшения коэффициента затухания ниже 0,15 коэффициент усиления линейно увеличивают.
Выявление более высокого коэффициента затухания свидетельствует о том, что ослабление управляющего сигнала слишком мало, и коэффициенту усиления присваивают значение ниже 1, чтобы ослабить входной сигнал, подаваемый на управляющее устройство. По мере увеличения коэффициента затухания выше 0,25 коэффициент усиления линейно уменьшают.
Следует отметить, что диапазон 0,15-0,25 приведен лишь в качестве примера, поскольку, как продемонстрировали испытания, при таких значениях коэффициента затухания возможно достижение хороших результатов (хорошие показатели отслеживания и подавления помех), однако в зависимости от системы управления и характеристик управляющего устройства могут быть выбраны и диапазоны другой протяженности и с другим положением на общей шкале. Кроме того, коэффициент усиления не обязательно должен уменьшаться и увеличиваться линейно за пределами данного диапазона: важно лишь то, что колебания подавляют, используя коэффициент усиления менее 1, а при слишком сильном ослаблении используют коэффициент усиления более 1.
На Фиг.3 показан замкнутый контур 301 управления, сходный с контуром, показанным на Фиг.1 и соответствующий способу управления, включающему дополнительные этапы. Выявление колебаний происходит на этапе 304 и включает пропускание управляющего сигнала через фильтр нижних частот на этапе 303 (F_CI) для подавления высокочастотных шумов. После этого на этапе 305 (OSC) определяют, имеются ли в управляющем сигнале колебания. При выявлении колебаний, на этапе 307 вычисляют коэффициент затухания (C_DR), как описано выше.
На этапе 309 (D_MF) по расчетному коэффициенту затухания определяют соответствующий коэффициент усиления, и усиливают управляющий сигнал с этим коэффициентом усиления. Наконец, на этапе 311 (A_EW) вычисляют и применяют усиление управляющего сигнала для всего рабочего диапазона.
Если колебания не выявлены, алгоритм оканчивается на этапе 313 (Е). Описанный алгоритм может выполняться каждый раз, когда выполняется общая программа управления процессом, например, постоянно, благодаря чему выявление колебаний сразу же после их возникновения становится неотъемлемой частью определения величины управляющего сигнала для управляющего устройства.
На Фиг.4 представлен пример выполнения шага 311, показанного на Фиг.3 в случае, когда управляющее устройство представляет собой клапан. Рабочий диапазон клапана представлен тремя точками 401, 403, 405, которые соответствуют усилению, при открытии клапана на 0%, 50% и 100%. Усиление ни при каких условиях не должно быть выше или ниже предварительно заданных величин (параметры gain_max (равный, например, 1) и gain_min, (равный, например, 0,2)). Величину усиления в диапазоне от 0% до 50% и в диапазоне от 50% до 100% определяют интерполированием трех точек, представляющих рабочий диапазон.
Уменьшение величины усиления может быть рассчитано для выбранных точек (например, 0%, 50% и 100%), например, с использованием следующей функции:
g=1-(1-k)./(1+10*(v-c).*(v-c)),
где g - уменьшение усиления при различных значениях входного сигнала (v) клапана, c - конкретное значение входного сигнала, при котором возникают колебания, и k - уменьшение усиления для колебаний в точке c.
Пример осуществления управления в соответствии с настоящим изобретением показал, что, когда, согласно расчетам, требуется коэффициент уменьшения усиления равный 0,5, уменьшение происходит во всех трех точках, но не в одинаковой степени. В наибольшей степени усиление уменьшается в точке, ближайшей к точке обнаружения колебаний, а в наименьшей в точке, наиболее удаленной от точки колебаний. Алгоритмы для вычисления уменьшения в каждой точке в одном из вариантов осуществления могут строиться по образцу алгоритмов, используемых в системах управления с нечеткой логикой.
На Фиг.5 показано изменение усиления в трех рабочих точках для ситуации, в случае обнаружения колебаний при открытии клапана примерно на 40%. Уменьшение усиления происходит на определенные величины в каждой из трех точек, представляющих рабочий диапазон. Наибольшее изменение происходит в точке, ближайшей к области, в которой были отмечены колебания (50%), а наименьшее - в наиболее удаленной от этой области точке (100%). Рабочий диапазон после этого изменения представлен тремя точками 501, 503, 505. Эти точки отражают усиление при 0%, 50% и 100% открытия клапана. И здесь усиление в диапазоне от 0% до 50% и в диапазоне от 50% до 100% определяют интерполированием трех точек, представляющих рабочий диапазон.
На Фиг.6 подробнее пояснено выявление колебаний на этапе 304, показанном на Фиг.3. Алгоритм начинается на этапе 601. На этапе 603 (F_CI) входной сигнал пропускают через фильтр, а на этапе 604 (S_P_P) определяют, какой пик, отрицательный или положительный, будет искать программа, что зависит от того, обнаружение какого пика производилось в прошлый раз. При первой итерации алгоритма выполняется поиск положительного пика. В альтернативном варианте осуществления программа может вначале искать отрицательный пик.
При подтверждении выявления положительного пика на этапе 605 (Р_Р?) (подтверждение выявления положительного пика происходит в том случае, если величина сигнала ниже максимального обнаруженного значения за вычетом гистерезиса), его учитывают на этапе 607 (A_N_P_P) посредством счетчика, путем прибавления нового положительного пика.
Если на этапе 609 (N_P?) подтверждается наличие отрицательного пика (подтверждение выявления отрицательного пика происходит в том случае, если величина сигнала выше минимального обнаруженного значения с прибавлением гистерезиса), его учитывают на этапе 611 (A_N_N_P) посредством счетчика путем прибавления нового отрицательного пика.
Если обнаружено более двух пиков (этап 613, P>2), то на этапе 615 первый пик не принимают во внимание и запускают процедуру обнаружение других пиков (выявление колебаний). Игнорирование первого пика необходимо для того, чтобы избежать колебаний, вызванных изменением уставки, и если этого не делать, то последующие расчеты коэффициента затухания могут быть неточными. Если на этапе 617 обнаружено достаточное количество пиков (например, 4, P>4), выполняют вычисление коэффициента затухания на этапе 619 (C_DR), например, так, как описано выше. Если на этапе 621 определено, что колебания уже обнаружены, то на этапе 627 (SF_N_DR_C) будет установлен флаг, обозначающий, что вычисляется новый коэффициент затухания, и на этапе 629 (Init_S) будут инициализированы все параметры и начат новый поиск.
Если на этапе 621 окажется, что колебания еще не обнаружены, то на этапе 623 выполняется проверка, не слишком ли высоко значение коэффициента затухания (1 или выше) (D>=1), что означает наличие значительных колебаний и может быть связано с нестабильностью контура или возмущениями при поиске пиков. Если это действительно так, то на этапе 625 (OSC_D_DP) устанавливают, что колебания обнаружены и один пик не принят во внимание, чтобы убедиться, что коэффициент затухания действительно выше 1, что приведет к необходимости искать еще один пик.
Алгоритм заканчивается на этапе 631 (Е).