Материал: Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1. Функциональная структурная схема многомерной системы |
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
∆ν1, |
∆CA,вх |
|
|
|
|
|
управления объектом |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
∆CBвх ∆CCвх ∆CDвх |
|
∆t1 |
|
∆t2 |
|
∆tхл.вх |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
з |
|
, |
|
з |
, |
|
з |
, |
, |
|
, |
|
|
, |
|
|
, |
|
|
– возмущающие воздейст- |
||||
вия; |
∆CB |
|
∆tхл ∆t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
– регулирующие |
∆CB |
, |
∆t |
– |
|||||||||
ε1 |
|
ε2 |
|
ε3 |
|
|
ε4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∆ν2 |
|
|
|
|
|
|
воздействия; |
|||||
регулируемые выходные переменные; |
∆νз2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
, |
|
|
, |
|
, |
|
|
– ошибки регулирования; |
заданное значение расхода второго |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
–∆νхл |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
потока в трубопроводе; |
– коэффициент соотношения расходов второго и |
||||||||||||||||||||||||||||
первого потоков на входеKвс аппарат; |
uтр |
– безразмерная величина перемещения |
|||||||||||||||||||||||||||
штока регулирующего клапана. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
Для |
полунатурного |
моделирования |
многомерной системы |
управления |
|||||||||||||||||||||
объектом с применением каскадной САР температуры реакционной смеси в аппарате и САР соотношения расходов второго и первого потоков на входе в аппарат с коррекцией по концентрации целевого продукта в аппарате в целом необходимо кроме уравнений линеаризованной математической модели объекта располагать уравнением подобъекта – участка трубопровода, уравнениями работы регуляторов – алгоритмами управления и уравнениями элементов сравнения – сумматоров.
Для реализации многомерной системы управления объектом выбираем
ПИ-алгоритм работы всех регуляторов. Уравнение ПИ-алгоритма управления |
|||||||||||||||
где |
|
– |
|
u( ) = K |
|
|
( ) + T |
0 |
( )d , |
|
|
(3) |
|||
имеет следующий вид: |
|
|
|
|
|
|
|
τ |
|
|
|
|
|||
|
u(τ) |
|
|
|
|
|
|
|
ε(τ) |
|
|
|
|
Kп |
|
|
|
|
|
τ |
п |
|
ε τ |
|
1и |
|
|
ε τ τ |
|
|
|
|
|
|
регулирующее воздействие; |
|
|
– ошибка регулирования; – |
|||||||||
коэффициент пропорциональности; |
|
|
– |
время интегрирования; , |
|
– на- |
|||||||||
|
|
|
|
|
управления, изменяя их, можно изменять |
||||||||||
строечные параметры ПИ-алгоритмаTи |
|
|
|
|
|
|
Kп |
Tи |
|
||||||
характер и вид переходного процесса регулирования.
Таким образом, уравнение подобъекта – участка трубопровода и система уравнений работы регуляторов – алгоритмов управления будет иметь следующий вид:
190
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d∆ |
2 |
= |
K u |
|
п |
− ∆ |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
u = K 1(K ∆ 1 + ∆ 22 |
ν |
|
|
|
тр |
|
тр |
|
|
|
ν |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
− ∆ 2) + |
|
|
|
п (K ∆ 1 + ∆ 22 − ∆ 2)d |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
τ |
|
|
|
|
|
|
|
|
тр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
νз |
|
|
|
|
|
ν з |
|
з |
|
|
|
|
|
|
|
T |
1 |
|
0 |
|
|
|
|
|
з |
νз |
τ |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
тр |
|
∆ |
|
|
с |
|
ν |
|
|
|
d |
|
|
ν |
|
|
+ |
|
T |
|
2 |
0 |
|
∆Cз |
ν |
d |
ν |
τ |
(4) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= K ∆Cз |
|
− ∆C |
|
|
|
|
|
|
|
− ∆C |
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kи |
1 |
|
|
|
|
|
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
ν |
|
|
|
|
п |
2( |
|
|
|
|
|
|
|
B) |
|
|
|
Kи |
2 |
|
|
( |
|
|
|
|
|
B) |
τ |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
22 |
|
|
|
|
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
τ |
|
|
|
B |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
τ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
∆ = K 3(∆t − ∆t |
|
|
) + |
|
|
T |
п |
|
τ(∆t − ∆t )d |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
хл |
|
|
з |
п |
|
хл |
|
з |
|
хл |
|
|
|
|
|
3 |
0 |
|
|
|
|
|
з |
хл |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kи |
3 |
|
|
|
|
|
хл |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
где |
|
– |
|
|
|
∆t |
|
= K |
п4 |
(∆t |
|
− ∆t) + |
T |
|
4 |
(∆t |
|
− ∆t) , |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
является |
тр |
|
|
|
|
|
|
|
хл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kи |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
тр |
|
тр |
|
|
|
|
коэффициент трубопровода, входным воздействием которого |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
безразмерная величина перемещения штока регулирующего клапана |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
, |
|
– постоянная времени трубопровода. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Математическая модель многомерной системы управления жидкофазным |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
химическим реактором включает в себя систему уравнений линеаризованной математической модели объекта, уравнение подобъекта – участка трубопровода и систему уравнений работы регуляторов – алгоритмов управления.
Ориентировочные численные значения настроечных параметров ПИрегуляторов определены по инженерным методам, изложенным в [9, 10]. Коэффициент пропорциональности регуляторов определялся для случая статической системы по требованию к установившейся точности (допустимой статиче-
ской ошибки) [9]. Время интегрирования регуляторов рассчитано, исходя из |
|||||
[10]. |
= , |
|
|
|
, что соо т- |
условия обеспечения степени колебательности не менее |
|
||||
ветствует степени затухания |
|
переходного |
процесса регулирования |
||
|
|
= , |
|
||
В ходе процесса полунатурного моделирования многомерной системы управления жидкофазным химическим реактором численные значения настроечных параметров ПИ-регуляторов были уточнены. Корректировка численных значений настроечных параметров ПИ-алгоритмов управления осуществляется до тех пор, пока переходный процесс регулирования не будет отвечать заданным показателям качества и эффективности регулирования.
3. Структура ПТК на базе «стенд ТеконУС 410-02 – ПЭВМ» Основными компонентами системы являются рабочая станция на базе
персонального компьютера и отладочный модуль «ТеконУС 410-02» (группа компаний (ГК) «Текон»). Структура ПТК «Текон» производства ГК «Текон» предложена на рис. 1 [2].
Основными техническими компонентами отладочного модуля «ТеконУС 410-02» являются: многофункциональный программируемый логический контроллер ТКМ410; панель оператора V04M; модули вывода аналоговых сигналов T3501 (модули расширения) [2].
Рабочая станция подключается к микропроцессорному контроллеру через сетевой коммутатор (Switch) посредством интерфейса Ethernet спецификации 10BaseT. Рабочая станция может использоваться как в качестве инженерной
191
станции (разработка и отладка прикладного программного обеспечения), так и в качестве станции оператора (автоматизированное рабочее место оператора (инженера-исследователя)) [2].
Рис. 2. Структура программно-технического комплекса
Для организации работы ПТК используется программное обеспечение:
ISaGRAF PRO, TeconOPC-сервер, MasterSCADA, MATLAB (расширение Simulink) [2].
Алгоритмы управления технологическими объектами реализуются на многофункциональном контроллере ТКМ410, программирование которого осуществляется с помощью среды разработки приложений ISaGRAF PRO (поддерживаются языки SFC, FBD, LD, ST, IL стандарта IEC 61131-3, а также язык
FC) [2].
Диспетчерское управление, сбор и отображение данных в ходе процесса полунатурного моделирования в системе обеспечивается современной объект- но-ориентированной SCADA- и Soft-Logic-системой MasterSCADA отечествен-
ной фирмы «InSat» [2].
Интеграция компонентов системы и организация обмена данными обеспечивается посредством TeconOPC-сервера. На базе ПТК «ТеконУС 410-02 – ПЭВМ» можно проводить проектирование и полунатурное (программноаппаратное) моделирование систем управления технологическими процессами
(Hardware-in-the-loop (HIL) simulation) [2].
4. Разработка прикладного программного обеспечения многофункционального контроллера ТКМ410
Для проведения полунатурного моделирования многомерной системы управления объектом необходима замена технологического процесса (объекта) его адекватной имитационной моделью.
Моделирование работы технологических процессов (объектов) в системе осуществляется с использованием пакета прикладных программ математиче-
192
ского моделирования MATLAB, который позволяет вести моделирование в режиме реального времени, что важно в рамках решаемой задачи.
Для моделирования жидкофазного химического реактора используется расширение Simulink, которое входит в состав пакета MATLAB. MATLAB Simulink является мощным инструментом для исследования и моделирования сложных динамических систем, с его помощью можно имитировать реальный процесс либо производство в целом. MATLAB Simulink имеет в своем составе библиотеку «OPC Toolbox», расширяющую возможности системы средствами взаимодействия с OPC-серверами, что позволяет использовать MATLAB Simulink в качестве OPC-клиента [2].
Как было сказано выше, моделирование динамики объекта управления целесообразнее всего проводить с применением пакета MATLAB расширения Simulink совместно с библиотекой «OPC Toolbox». Библиотека «OPC Toolbox» позволяет организовать связь имитационной модели технологического процесса с управляющей программой, которая загружена в ПЛК, а также со SCADAсистемой.
На рис. 3 представлено главное окно Simulink-программы, моделирующей работу объекта.
Рис. 3. Simulink-модель жидкофазного химического реактора
Для организации обмена данными между расширением Simulink и TeconOPC-сервером используются функциональные блоки библиотеки «OPC Toolbox»: «OPC Configuration», «OPC Read», «OPC Write».
Программирование многофункционального контроллера ТКМ410 осуществляется с помощью системы ISaGRAF PRO 4.20. Система программирования
193
ISaGRAF PRO состоит из среды разработки ISaGRAF PRO Workbench и среды исполнения, предустановленной на контроллере ТКМ410. ISaGRAF PRO – это полная поддержка всех языков стандарта IEC 61131-3 (международный стандарт «Программируемые контроллеры-часть3. Языки программирования») [11].
Для реализации ПИ-алгоритмов управления используется функциональный блок «T_PID» (аналоговый ПИД-регулятор), который входит в состав библиотеки алгоритмов контроллера ТКМ410 «TIL Pro Std».
Следующим шагом разрабатывается программа управления, которая реализует многомерную систему управления жидкофазным химическим реактором с применением каскадной САР температуры реакционной смеси в аппарате и САР соотношения расходов второго и первого потоков на входе в аппарат с коррекцией по концентрации целевого продукта в аппарате в соответствии с функциональной структурной схемой.
Следующим этапом приступают к разработке непосредственно самой программы контроллера на одном из языков стандарта IEC 61131-3. Для реализации многомерной системы управления жидкофазным химическим реактором целесообразно использовать язык функциональных блочных диаграмм FBD (Function Block Diagram) – графический язык, позволяющий программисту строить сложные процедуры, используя существующие функции из стандартной библиотеки. Диалоговое окно редактора языка функциональных блочных диаграмм FBD представлено на рис. 4.
Рис. 4. Диалоговое окно редактора языка функциональных блочных диаграмм FBD
Для обеспечения работы ПТК требуется наличие OPC-сервера, который позволяет элементам ПТК обмениваться данными между собой.
194