3.2. Методы настройки локальных аср
При синтезе и проектировании локальных систем автоматизации наблюдается «системный парадокс»: для получения модели ОУ необходимо знать алгоритм функционирования управляющего устройства, для отыскания которого собственно и нужна модель ОУ. Как правило, при автоматизации ТОУ, работающего в нормальном режиме эксплуатации, применяют ПИД алгоритм (в различных вариантах исполнения). Такой алгоритм управления отнесят к экспертным алгоритмам, поскольку в первом приближении он реализует действия опытного оператора (эксперта). Алгоритм достаточно простой и предполагает, что объект управления имеет математическую модель низкого порядка. Несмотря на свою простоту, такой регулятор имеет три параметра настройки. Нельзя сказать, что задача параметрического синтеза систем с таким регулятором решена окончательно, хотя она имеет почти вековую историю (первые работы по настройке ПИД - регулятора вышли в начале двадцатых годов прошлого века).
Реальные промышленные объекты управления являются недетерминированными динамическими системами. Результат синтеза недетерминированными объектами на стадии проектирования редко устраивает эксплуатационный персонал, так как численные значения параметров контроллеров оказываются отличными от действительных оптимальных значений. Предварительный синтез скорее нужен для проверки работоспособности предлагаемых структур систем и алгоритмов и сравнения альтернативных вариантов. Решение задачи параметрического синтеза позволяет оценить возможности проектируемой системы регулирования: определить время регулирования (быстродействие), динамическую точность (выбросы), статическую точность, интенсивность затухания процесса (запас устойчивости). Заключительный этап синтеза переносится на стадию ввода системы в действие на реальном объекте.
Как отмечалось выше, следует выделить два возможных подхода к определению оптимальных параметров настройки системы управления: расчет настройки по модели управления либо оптимизация действующей системы. Последовательность событий представлена на структурных схемах рис. 3.27 и 3.28.
Основное различие между этими подходами к настройке систем заключаются в следующем. Структура алгоритма на первой схеме (рис. 3.27) является разомкнутой, а структура настройки действующей системы замкнутой (рис. 3.28). В первом случае расчет производится однократно и его результаты окончательны, поэтому при неоптимальных параметрах вопрос настройки остается открытым. Если в методах расчета по модели объекта используются отдельно характеристики объекта и регулятора, то при оптимизации действующей системы эксперимент осуществляется с учетом реальных свойств всей системы, включающей объект и контроллер. Но разомкнутый алгоритм оптимальной настройки реализуют на стадии технического задания при проектировании системы, а замкнутый только на действующей или смонтированной системе.
Процедура определения оптимальных параметров контроллеров, как отмечалось выше, включает следующие этапы:
1) определение в пространстве параметров контроллера области заданного запаса устойчивости АСР;
2) выбор с учетом заданных ограничений параметров настройки по принятому критерию оптимальности;
3) проверка результатов расчета (проводится обычно моделированием).
Окончательная проверка работоспособности синтезированных алгоритмов проводится на действующих системах. При наладке работающих систем широко используются экспрессные (приближенные, графоаналитические) методы. В этих методах модель объекта управления принимается достаточно простой: передаточной функцией 1-го или 2-го порядка с запаздыванием. Оценкой динамических свойств является некоторый характерный параметр, например, τ / Тμ – относительное запаздывание. Среди распространенных методов экспрессной настройки следует выделить Циглера - Никольса, Такахаши, ВТИ, ИПУ, ЦНИИКА.
Метод Циглера - Никольса (1942 г.) предполагает вывод системы на границу устойчивости, т. е. на точку (-1, 0) (Рис. 3.29). Находят kкрит = 1/c (критическое значение коэффициента передачи регулятора) и величина периода колебаний системы на частоте . Методика Такахаши представляет модификацию метода Циглера – Никольса, когда параметры объекта (относительное запаздывание и коэффициент передачи) определяются проведением касательной через точку перегиба временной характеристики. Методика Такахаши позволяет настраивать как аналоговые, так и цифровые контроллеры (модифицированный алгоритм).
Всю регулирующую аппаратуру Московского завода тепловой автоматики (МЗТА), а это контроллеры, использующие ИМ постоянной скорости (Р25, РС29, ПРОТАР…) рекомендуется настраивать по формулам ВТИ (начало 50-х годов). Достоинство этой методики заключается в том, что рекомендованные значения параметров определены экспериментально на исследовательском стенде, где система управления включает электрическую модель ОУ и реальный регулятор. За критерий оптимальности выбрано значение min Iкв при отработке задающего воздействия, а запас устойчивости задан величиной степени затухания ψ = 0,75.
Среди известных следует выделить методики ИПУ (институт проблем управления РАН, автор Круг Е.К.), ЦНИКА (центральный научно-исследовательский институт комплексной автоматизации, автор Копелович А.П.). Особенность перечисленных методик в том, что рекомендованные значения настраиваемых параметров получены моделированием на АВМ, как объекта, так и регулятора при заданных прямых показателях качества системы. Так как эти данные получены на структурных линейных моделях, то они воспроизводятся не достаточно надежно. Предлагаемые параметры при определенных условиях традиционно применяют при настройке аналоговых и цифровых регуляторов с непрерывным управляющим сигналом (пневматические регуляторы и регуляторы с пропорциональными ИМ).