Способ диагностирования нестационарности объекта с действующей замкнутой системой регулирования
METHOD FOR DIAGNOSING NON-STATIONARITY OF OBJECT WITH OPERATING CLOSED CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к области инженерной кибернетики и может быть использовано в системах автоматического управления нестационарными динамическими объектами.
Известен способ «Способ автоматического контроля на основе обратной связи с отклонением значения и фазовой задержки выходного сигнала» [патент UA103548 (С2)-2013-10-25. G05B11/-1, G05B1302].
Способ основан на определении выходного сигнала устройства управления на основе расчета разности между установленным значением выходного сигнала объекта управления и выходным сигналом объекта управления с учетом отклонения фазовой задержки, возникающего при стабильных эксплуатационных проблемах. Чтобы определить отклонение фазовой задержки между случайными сигналами заданного значения и выходным сигналом объекта управления, используется преобразование Гильберта, это позволяет представить его как аналитический сигнал. Использование метода позволяет учитывать изменения состояний элементов инерции, являющихся частью объекта управления, и для достижения качественных характеристик метода автоматического управления при недостаточной информации для построения точной математической модели объекта.
Недостаток данного способа состоит в том, что в данном способе большой объем сложных вычислений, что требует достаточно сложного дорогостоящего оборудования.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ реализации адаптивной системы автоматического регулирования, описанный в статье «Адаптивная система автоматического регулирования» [М.В. Скороспешкин, В.Н. Скороспешкин. Интернет-журнал «Науковедение» ИГУПИТ. Выпуск-2, март-апрель 2014 г., г. Томск. [Электронный ресурс]; Режим доступа: http/naukovedenit/ru. Идентификационный номер статьи в журнале: 83TVN214, УДК 681.511.4 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации].
В работе описан способ реализации адаптивной системы автоматического регулирования, основанный на использовании подстраиваемого псевдолинейного двухканального корректирующего устройства динамических характеристик систем автоматического регулирования. Данный способ характеризуется тем, что в процессе работы системы параметры регулятора не меняются и соответствуют настройке, предшествующей запуску системы в работу. В процессе работы системы регулирования, в зависимости от изменения параметров объекта управления, меняется коэффициент передачи корректора или создаваемый им фазовый сдвиг. Существенной особенностью данной системы является то, что значение фазового сдвига разомкнутой системы на фиксированной частоте определяется по значению коэффициента передачи по амплитуде, разомкнутой и замкнутой систем после подачи в систему синусоидального поискового сигнала.
Недостатком данного способа является то, что в систему периодически запускается синусоидальный поисковый сигнал, который будет влиять на управляемость объекта управления и на характеристики системы управления. Кроме того, указанный способ требует введение в систему управления дополнительного оборудования, которое будет создавать этот синусоидальный поисковый сигнал.
Задача изобретения - создание более простого способа определения изменения параметров объекта регулирования с целью диагностирования нестационарности объекта. Определение изменения нестационарности объекта необходимо для принятия решения о перенастройке параметров регулятора системы управления.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что предлагается способ диагностирования нестационарности объекта с действующей замкнутой системой регулирования выходного сигнала объекта.
Отличающимися особенностями предлагаемого изобретения является то, что в действующей системе регулирования определяются устойчивые тенденции изменения выходного сигнала регулятора и устойчивые тенденции изменения выходной величины объекта управления, а факт нестационарности объекта управления определяют по наличию угла между тенденциями изменения выходного сигнала и выходной величины объекта управления.
Если угол между указанными тенденциями (трендами) равен нулю, то свойства объекта не изменяются.
Если выявляется угол между указанными тенденциями (трендами), то это является доказательством того, что в объекте есть соответствующая (определяемая устойчивой тенденцией выходного сигнала регулятора) нестационарность (тренд) объекта управления, т.е. свойства объекта управления меняются.
На фиг. 1 представлена система стабилизации выходного сигнала объекта управления, в которой во время функционирования системы автоматического регулирования вычислительное устройство выделяет и сравнивает между собой устойчивые тенденции изменения выходного сигнала регулятора и устойчивые тенденции изменения выходной величины объекта управления и, где 1- объект управления, 2 - регулятор, 3 - вычислительное устройство.
На фиг. 2 представлены переходные процессы в системе стабилизации выходного параметра объекта управления, где 4 - выходной сигнал на выходе объекта, 5 - сигнал задания, который определяет тенденцию изменения (тренд) сигнала на выходе объекта управления, 6 - изменение свойств объекта управления (нестационарность), 7 - сигнал на выходе регулятора, 8 - устойчивая тенденция изменения сигнала на выходе регулятора.
Предлагаемый способ автоматического управления объектами заключается в следующем.
Допустим, что система управления является системой стабилизации выходного сигнала 4 объекта управления 1, она настроена оптимально с учетом конкретных значений параметров объекта на момент расчета настроечных параметров регулятора 2. Система справляется с возникающими возмущениями с точки зрения стабильности поддержания заданного статического режима, при этом сигнал задания совпадает с я тенденцией сигнала на выходе объекта управления.
Рассмотрим широко распространенный случай, когда в системе отсутствуют внешние интегрирующие (линейно нарастающие или убывающие) возмущения. Характерной особенностью таких систем является случайное (или вызванное третьими неуправляемыми причинами) относительно быстрое возникновение и за счет работы системы регулирования быстрая компенсация последствий этих возмущений.
Считаем, что изменение свойств 6 объекта управления 1, относящееся к нестационарности, является стабильным за определенное время работы системы, а не является случайным процессом. Чаще всего это изменение свойств 6 объекта управления 1 и носит линейно нарастающий или убывающий характер. Например, это может быть любой объект, параметры которого меняются во времени: многочисленные в промышленности теплообменные аппараты, у которых с течением времени трубы «закоксовываются» и уменьшается их пропускная способность, или реакторные процессы в химической промышленности, где постепенно падает активность катализатора или ингибитора.
Предлагаемый способ позволит системе управления выявлять эти изменения свойств объекта следующим образом.
В функционирующей системе стабилизации выходного сигнала 4 объекта управления 1, вычислительное устройство 3, не включенное в контур регулирования и поэтому не ухудшающее качество работы системы стабилизации выходного параметра объекта управления 1, выделяет (путем сглаживания и аппроксимации линейной функцией) устойчивую тенденцию (линейный тренд) 8 сигнала 7 на выходе регулятора 2, и сравнивает его с сигналом задания 5 или линейной тенденцией выходной величины 4 объекта управления 1 (вычисленной таким же образом любыми известными алгоритмами сглаживания и выделения тренда).
Если появился угол между указанными тенденциями 5 и 8 выходными сигналов регулятора 2 и объекта управления 1, то выполнение этого условия позволяет считать, что устойчивая тенденция (линейный тренд) 8 выходной величины 7 регулятора 2 вызван изменением свойств объекта управления 1.
Это значит, что в объекте есть соответствующая (выявляемая устойчивой тенденцией 8 выходного сигнала регулятора 2) тенденция (тренд) нестационарности 6 объекта управления 1.
Результат вычисления может выводиться на индикатор, встроенный в вычислительное устройство или работать в режиме «советчика» по информированию оператора.
В силу того, что изменение свойств 6 объекта управления 1 всегда значительно медленнее любого внешнего возмущения, регулятор 2 в системе стабилизации режимов функционирования объекта управления 1 справится с этими изменениями и обеспечит малое отклонение регулируемой выходной величины объекта управления 1 от сигнала задания 5. Но при этом настройки регулятора 2 уже будут не оптимальными для обеспечения исходных заданных динамических оценок качества регулирования выходной величины (в частотной области - запасы устойчивости системы по модулю и фазе, на плоскости корней характеристического уравнения замкнутой системы - степень устойчивости, во временной области - перерегулирование, степень затухания, интегральная оценка).
Данная информация может быть использована для принятия решения о необходимости коррекции настроечных параметров регулятора с целью обеспечения нужного качества динамики переходных процессов регулирования. Такая коррекция может применяться периодически или при заданном уровне изменения свойств объекта за период, в течение которого это изменение еще не вызывает существенного ухудшения динамических характеристик качества стабилизации выходной величины объекта.
Указанные преимущества предлагаемого способа по сравнению с известными способами, обеспечиваются новой методикой определения нестационарности объектов управления.
Простота предлагаемого способа по сравнению с известными способами обеспечивается тем, что нет необходимости запускать в систему управления какой-либо дополнительный сигнал, с целью последующего анализа его изменения. Процедура выделения тенденции (тренда) известна и достаточно проста. Процедура сравнения линейных трендов равной длины двух сигналов также хорошо известна. А вот совокупность применения этих процедур совместно с выбором точек мест сравнения сигналов (сравнение устойчивой тенденции изменения выходного сигнала регулятора с устойчивой тенденцией изменения выходной величины объекта) для диагностики нестационарного объекта управления неизвестна и дает указанный положительный результат.