Автоматизация настройки законов управления в нестационарных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Толоконский, Андрей Олегович

• Толоконский, Андрей Олегович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Толоконский, Андрей Олегович

Введение.

Глава 1. АСУ ТП как база для реализации алгоритмов управления, адаптации и идентификации.

1.1. Проблемы, возникающие при построении АСУТП.

1.2. Обзор современных БСАБА систем.

1.3. Преимущества БСАБА системы МикСис.

1.4. Постановка задачи диссертации.

Глава 2. Адаптивное управление нестационарными объектами.

2.1. Примеры нестационарных объектов.

2.2. Описание нестационарных объектов.

2.3. Методы идентификации нестационарных объектов.

2.4. Выбор и реализация метода идентификации.

Выводы.

Глава 3. Оптимальное управление нестационарными объектами.

3.1. Технологическая необходимость использования оптимального управления.

3.2. Задача аналитического конструирования регуляторов.

3.4. Настройка программного обеспечения регуляторов в БСАБА системе МикСис

3.5. Проверка работоспособности оптимального регулятора.

3.6. Человеко-машинные интерфейсы.

Выводы.

Глава 4. Анализ надежности технических систем отображения.

4.1. Необходимость анализа надежности систем отображения.

4.2. Анализ вероятности отказа резервированной структуры.

4.3. Событийный анализ финальных вероятностей отказов системы.

4.4. Выбор количественных характеристик надежности.

4.5. Анализ надежности систем отображения.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация настройки законов управления в нестационарных системах»

С момента своего появления ЭВМ использовались, прежде всего, как инструмент, помогающий человеку решать различные вычислительные задачи. Вначале эта потребность касалась лишь своеобразных трудоемких и рутинных математических вычислений, но со временем ЭВМ стремительно развивались: уменьшались габариты и энергопотребление, увеличивалась скорость выполнения операций и передачи данных. Совершенствовалось программное обеспечение, разрабатывались более простые и удобные способы программирования от машинных кодов вначале и до языков высокого уровня в настоящее время. Для языков программирования на протяжении почти 30 лет были созданы огромнейшие и богатейшие библиотеки подпрограмм, позволяющие выполнять различные математические операции, проводить расчеты производных и интегралов с высокой степенью точности. Вместе с этим появились устройства позволяющие преобразовывать аналоговые сигналы в цифровые и представлять их для компьютерной обработки, а также выполнять обратные преобразования. При появлении таких устройств, называемых устройствами связи с объектом, компьютеры получили возможность применения в системах управления реального времени. Были созданы различные специализированные пакеты программ для управления технологическими процессами. Такие системы получили название «Автоматизированные системы управления технологическими процессами» (АСУТП). Сейчас не существует отрасли промышленности, в которой не применялась бы автоматизация технологических процессов. Основными преимуществами АСУТП являются существенные снижения влияния так называемого человеческого фактора на управляемый процесс, сокращение неквалифицированного персонала - путем обучения, минимизация расходов сырья, повышение качества исходного продукта, и в конечном итоге существенное повышение эффективности производства. Основные функции, выполняемые подобными системами, включают в себя контроль, управление, обмен данными, обработку, накопление и хранение информации, формирование сигналов тревог, построение графиков и создание отчетов. Кроме того, с развитием микропроцессорной техники появилась возможность использовать микро - ЭВМ для построения интеллектуальных автономных систем управления, содержащих в своем составе модули УСО, наборы программных средств ведения баз данных, реализацию алгоритмов прямого цифрового управления и регуляторов.

В настоящее время, практически во всех пакетах программ, используемых для построения АСУТП (8САХ)А система), имеются библиотеки подпрограмм для реализации законов регулирования. Чаще всего используются ПИД и ПИ законы. Для нестационарных объектов такой подход не приемлем. Однако в большинстве современных БСАБА-систем более сложные алгоритмы непосредственного цифрового регулирования технологическими процессами обычно отсутствуют. Существующего набора вполне достаточно для решения простых «типовых» задач со стационарными объектами, не касающихся сложных, ответственных и опасных производств.

Рассматривая опасные и ответственные производства, следует отметить, что не во всех случаях можно обойтись типовыми регуляторами, в которых коэффициенты регулирования задаются один раз при настройке системы или вводе её в эксплуатацию, и не меняются годами вплоть до замены износившегося оборудования при плановом капитальном ремонте. Например: регуляторы, функционирующие в системах горячего водоснабжения по температурному графику наружного воздуха, не требуют периодической настройки коэффициентов в виду стационарности протекающего процесса. Напротив, рассмотрим работу системы очистных сооружений воды на этапе аэрации - на данном этапе происходит очистка воды от солей тяжелых металлов при помощи бактерий, которые при заданной температуре и определенной концентрации кислорода очищают воду от вредных растворимых примесей. Применение типовых регуляторов не приносит ожидаемого эффекта ввиду нестационарности процесса. Точный состав воды поступаемой на переработку не известен, он вообще имеет случайный характер в определенных пределах, и не коррелирован ни с какими событиями. Качество очищаемой воды определяется лишь, кислородом, подаваемым в очистное сооружение в зависимости от количества растворенных в воде солей тяжелых металлов.

Адаптивное управление технологическими процессами, основано на использовании новейших методов идентификации динамических объектов, и методах оперативной оптимизации настроек регуляторов. Адаптивные технологии позволяют полностью автоматизировать процесс настройки автоматических регуляторов для широкого класса промышленных объектов управления с запаздыванием. Использование оперативных методов идентификации исключает методы ручного выбора и расчета приемлемых параметров настройки регуляторов. В настоящее время назрела необходимость использовать более совершенные (по сравнению с типовыми ПИД законами) алгоритмы управления, основанные на применении критериев оптимальности. Использование этих алгоритмов оптимального оперативного формирования воздействий обеспечивает высокое качество процессов управления объектами на всем этапе их дальнейшей эксплуатации.

Актуальность диссертации

В последнее время в нашей стране и за рубежом наметилась тенденция к созданию в SCADA системах алгоритмов цифрового управления, адаптации и идентификации, которые находятся в различных состояниях готовности к применению на реальных объектах. Поэтому создается интеллектуальное ПО для оперативной оптимизации процесса управления. Кроме того, в связи с особенностями построения SCADA систем ни на одной из известных систем алгоритмы .адаптации и идентификации не функционируют в рамках как верхнего и нижнего уровня программного обеспечения АСУТП, на различных процессорах, под управлением различных операционных cncTeM(DOS, WIN, Linux).

Таким образом, актуальной является задача разработки алгоритмов оптимального управления, адаптации и идентификации в рамках SCADA системы функционирующих под различными операционными системами, на разных логических уровнях, с наименьшей ресурсоемкостью. Цель диссертации

Целью данной диссертации является разработка алгоритмов управления и ПО (включающее адаптацию, идентификацию и оптимизацию) в рамках многоплатформенной БСАБА системы МикСис, практическое использование этого программного обеспечения на реально действующих объектах, на различных логических уровнях АСУ ТП, с последующей возможностью тиражирования и применения на различных объектах требующих адаптивного оптимального управления.

Для достижения' поставленной цели необходимо будет решить следующие задачи:

1) провести анализ основных трудностей создания АСУ ТП для нестационарных объектов, современных технологических и программных средств построения АСУТП и выявлена необходимость развития программ и алгоритмов адаптивного и оптимального управления;

2) реализовать программные средства оперативной идентификации динамических объектов и адаптивного оптимального управления ими, эти средства интегрированы в исполняющую оболочку 8САОА системы МикСис;

3) разработать средства отображения технологической информации, предназначенные для адаптивного управления, когда в контуре управления присутствует оператор, на которого возложена часть функций управления;

4) предложить и реализовать многокомпонентный подход к оперативному анализу надежности программно-аппаратных комплексов, который способствовал бы построению качественных автоматизированных систем управления опасными технологическими процессами.

Научная новизна представленных в данной диссертации результатов заключается в следующем:

- предложено ввести в состав инструментального арсенала построения АСУТП программные средства адаптивного оптимального управления, позволяющие значительно расширить класс применяемых законов управления, а также реализовывать 4 методы оптимального управления объектами на многоплатформенных SCADA системах, для применения их на различных логических уровнях;

- разработано ПО, позволяющее осуществлять адаптивное оптимальное управление нестационарными динамическими объектами;

- созданы программные интеллектуальные средства диагностики состояния объектов в рамках системы МикСис, включающие в себя алгоритмы оперативной диагностики и идентификации основанные на обработке результатов сканирования состояния технологических процессов , с помощью использования микропроцессоров различной мощности (как на верхнем, так и на нижнем уровне ПО АСУТП);

- предложен многокомпонентный подход к анализу количественных характеристик программно-аппаратных комплексов, позволяющий одновременно использовать, как справочные данные о надежности, так и результаты экспериментальных испытаний, что существенно облегчает взаимодействие разработчиков и заказчиков при введении АСУ ТП в эксплуатацию. Это особенно важно для опасных технологических процессов (подход нашел применение для анализа надежности систем отображения технологической информации);

Практическая ценность диссертации

- показана необходимость оснащения современных SCADA систем средствами адаптивного управления, позволяющими значительно расширить класс применяемых законов управления и использовать методы оптимального управления;

- созданы прикладные средства оперативной диагностики динамических объектов, необходимые для адаптивного оптимального управления, которые интегрированы в SCADA систему МикСис;

- предложен многокомпонентный подход для оперативного анализа надежности программно-аппаратных комплексов; реализованный алгоритм адаптивного оптимального регулятора, скомпилированный в теле исполнительного модуля задачи реального времени RESIDENT.EXE Б С АО А системы МикСис, в настоящее время находится в промышленной эксплуатации в цехе биологической очистки воды КСА города Москвы.

- подготовленные средства адаптивного оптимального управления в рамках 8САБА системы МикСис, предназначенные для управления нестационарными процессами нашли практическое применение на других объектах (информационная система Курской АЭС, АСУТП переработки ЖРО).

- подготовленные средства адаптивного оптимального управления в рамках 8САОА системы МикСис введены в лабораторный практикум по курсу «Проектирование систем управления» на кафедре «Автоматика» МИФИ. Основные положения, выносимые на защиту

1) Результаты исследований нестационарных динамических объектов и их моделей, показавших целесообразность введения интеллектуальных программных средств, для оптимального адаптивного управления;

2) Средства идентификации, адаптивного оптимального управления (алгоритмы и программное обеспечение);

3) Характеристики объекта управления, подлежащие идентификации и позволяющие реализовать оптимальное адаптивное управление;

4) Средства отображения информации для управления рядом технологических объектов и средства обеспечения надежности отображения на этапе проектирования.

У Апробация диссертации Основные результаты диссертации неоднократно обсуждались на научных сессиях МИФИ, на производственных совещаниях, где докладывались результаты научных работ группы «Управление» (НИКИЭТ 2001, 2002, ИПУ 2003,2004).

Публикации. По материалам диссертации в различных изданиях опубликовано 13 работ (11 печатных работ, 2 научных отчета).

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Толоконский, Андрей Олегович

6. Результаты работы были использованы при разработке информационной системы Курской АЭС, АСУТП «Переработки жидких радиоактивных отходов», АСУТП «ЦБО Аэротенки КСА», АСУТП «Критического стенда» РНЦ "Курчатовский институт", АСУТП «Сушильной камеры кирпича», а также в лабораторном практикуме по курсу «Проектирование систем управления», который проводится на кафедре автоматика МИФИ.

Заключение.

В работе получены следующие результаты:

1. Анализ современных систем управления технологическими процессами показал, что в процессе управления, как правило, возникают ситуации, связанные как с сильным изменением состояния объекта, так и с изменением его динамических характеристик. Учитывая необходимость обеспечения требуемых режимов эксплуатации, предложено ввести в 8САЕ)А систему программные инструменты для оптимального приближения к проектным режимам.

2. Обеспечение должного качества управления может достигаться не только автоматически, но и оператором (как это делается, например в АСУТП АЭС). В этом случае важнейшей составляющей системы управления являются средства отображения технологической информации и специальное программное обеспечение с помощью которого осуществляется управление.

3. Для реализации автоматического управления разработано и внедрено в многоплатформенную БСАБА систему МикСис программное обеспечение адаптивного оптимального управления, в котором используются- результаты теории аналитического конструирования регуляторов.

4. Разработанное программное обеспечение функционирует на различных логических уровнях АСУТП (как верхнем на ПЭВМ, так и нижнем в контроллере).

5. Для ответственных производств необходимо обеспечение должного уровня надежности средств отображения технологической информации. Поэтому предложена методика экспресс анализа характеристик надежности, различных систем отображения, технологической информации.,

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Толоконский, Андрей Олегович, 2008 год

1. Артад X., Люшль JL, Марк Испру. Обнадеживающие перспективы: Вклад верной энергии // Бюллютень МАГАТЭ, Т.39 1997 - N1- Вена, Австрия.

2. Зигель А., Вольф Дж. Модели группового поведения в системе человек машина. М.: Мир, 1973, с.261.

3. Макаренко В.В., Власов В.А. Имитационная модель информационного взаимодействия группы управления и ПО АСУТП. Создание комплексных систем управления на предприятиях машиностроения // тез. докл. Всесоюз. научно технической конф. - Омск, 1979, С.109 - 110.

4. Макаренко В.В., Власов В.А. Применение имитационной модели оператора при разработке информационного обеспечения АСУ ТП АЭС // тез.доклада Всесоюзного НТС Полярные Зори, Кольская АЭС 1979 С53 -54.

5. Макаренко В.В., Арандоренко A.B. Эффективность диалога "Группа управления вычислительный комплекс АСУ ТП" на этапе внедрения ПО в опытную эксплуатацию // тез. докл. второй школы - семинара. Боржоми, февраль 1980, С.72.

6. Малашипин И.И., Сидорова H.H. Тренажеры для операторов АЭС -М.:Атомиздат 1979.

7. Чачко А.Г. Подготовка операторов энергоблока М.: Энергоиздат, 1986.'

8. Филипчук Е.В., Потапенко П.Т., Постников В.В. Управление нейтронным полем ядерного реактора М.: Энергоисздат, 1981.

9. Дискретный контроль полей энерговыделения в активных зонах ядерных реакторов / Емельянов И.Я., Дроздов A.B., Константинов JI.B., Назарян В.Г., Постников В.В. М.:Атомная энергия, 1974, т.37, С. 451 - 454.

10. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ М.: Высшая школа, 1989, С.45.

11. Новости системостроения // Промышленные контроллеры АСУ 2007- № 3-С. 1912,13,14,15,16,1720,21,22,23,

12. Прошин А.И. Новые возможности среды исполнения контроллеров SCADA "КРУГ-2000" // Промышленные контроллеры АСУ 2005 - №3 С.35-36.

13. Анзимиров JI.B. (AdAstrA Research Group, Ltd) Развитие технологий Trace Mode // Промышленные контроллеры АСУ 2006 - № 12 - С. 3638.

14. Новости системостроения-// Промышленные контроллеры АСУ 2005- № 6 - С. 24-29.

15. Новости системостроения // Промышленные контроллеры АСУ 2005- № 8 - С. 26-27.

16. Новости системостроения // Промышленные контроллеры АСУ 2006- № 1-С. 16.

17. Кнут Д.Э. Искусство программирования: Перевод с англ. М.: «Наука» 1987 С. 247.

18. Лебедев В.О., Комисарчук С.Ю., Обносов A.B. Структура1 и основные особенности программного комплекса создания- систем1 управления' «МикСИС» ПТК «УМИКОН»» // Промышленные контроллеры* АСУ. 2004.- №1.-35-41.

19. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы М.: Высшая школа, 1989.- 263с.

20. Ласков Ю.М., Калицун В:И.' Очистка' сточных вод в аэротенках М.: Стройиздат, 1996. С. 339-409.

21. Очистка сточных вод / Хенце*М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. -М.: «Мир», 2004. С. 160-186.

22. Цыпкин Я.З. Основы информационной теории идентификации М. «Наука» 1984. С.42-47.

23. Методы классической и современной теории автоматического.управления / под редакцией профессора К.А. Пупкова, в 5 т., Синтез регуляторов автоматического управления, М.: «Издательство МГТУ им. Н.Э1Баумана», 2004. Т.З С.545-552.

24. Толоконский А.О., Введение в АСУТТТ интеллектуальных программных средств для оптимального управления // Сборник: Научная сессия МИФИ 2007 год, Т.1, С.50.

25. Власов В.А., Толоконский А.О. Управление нестационарными системами первого порядка // Сборник: Научная сессия МИФИ 2004 год Т.1, С.40.

26. Квакернаак X., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления.: Пер. с англ. М.: Мир, 1977 С. 234 - 287.

27. Эйхкофф П. Основы идентификации систем управления: Пер. с англ. -М.: Мир, 1979 462 с.

28. Райбман Н.С. Что такое идентификация? М.: Наука, 1970 113с.

29. Сейдж Э.П., Мелса Дж. Идентификация систем управления М.: Наука, 1974 - С.42-47.

30. Современные методы идентификации систем / Под редакцией П.Эйхкоффа М.: Мир, 1983. - С.137-140.

31. Дейч А.М. Методы идентификации динамических объектов: Пер. с англ. М.: Энергия, 1979 - 240 с.35