Показана можливість побудови адаптивної системи управління з використанням принципу частотно-залежною зворотного зв'язку і застосуванням многочастотного ідентифікує впливу. Алгоритм адаптації володіє відносною простотою, прийнятною для більшості промислових об'єктів точністю, не вимагає для реалізації великих обчислювальних ресурсів і здатний працювати в режимі реального часу.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Таскаев Д. М., Аврамчук В. С.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2007
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ

    Наукова стаття на тему 'Адаптивна система з частотним поділом каналу управління і самонастроювання'

    Текст наукової роботи на тему «Адаптивна система з частотним поділом каналу управління і самонастроювання»

    ?ек) на мові RDF: (Іванов, работать_над, Автоматизація); (Автоматизація, связан_с, контролери); (Автоматизація, связан_с, датчики); (Автоматизація, связан_с, електропривод)), то на основі аналізу цієї бази знань і профілю фахівця Іванова можна зробити логічний висновок, про те, що Іванов має досвід роботи з контролерами, Датчиками або електроприводом в області Автоматизації. Таким чином, без вимог до Іванова явно оновлювати свої параметри з наявного досвіду, система може зробити висновок про його можливу компетенції.

    висновок

    Побудова моделі фахівця є одним з найважливіших етапів побудови СУЗ, т. К. Наявність подібної моделі, а також її підтримка в актуальному стані дозволяють вирішувати проблеми пошуку в організації знань і досвіду, персоналізації СУЗ до потреб конкретних користувачів і групування фахівців в спільноти за інтересами. Тим самим, моделювання користувачів дозволяє поліпшити процес збору і поширення явних і неявних знань співробітників організацій.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Davenport Т., Prusak L. Working Knowledge: how organizations manage what they know. - Boston: Harvard Business School Press, 1998. - 200 p.

    2. Нонака І., Такеучі Х. Компанія - творець знання. Зародження і розвиток інновацій в японських фірмах (The Knowledge-Creating Company: How Japanese Companies Create the Dynamics of Innovation). - М .: Олімп-Бізнес, 2003. - 384 с.

    3. Тузовскій А.Ф., Чириков С.В., Ямпільський В.З. Системи управління знаннями (методи і технології). - Томськ: Вид-во НТЛ, 2005. - 260 с.

    4. W3C, «RDF / XML Syntax Specification (Revised)» // [Електронний ресурс]. - 2003. - Режим доступу: http://www.w3.org/ TR / rdf-syntax-grammar /

    Надійшла 17.11.2006 р.

    УДК 681.521

    АДАПТИВНА СИСТЕМА із частотним поділом КАНАЛУ УПРАВЛІННЯ ТА самонастройка

    Д.М. Таскаев, В.С. Аврамчук *

    ВАТ «Центрсібнефтепровод», Томськ * Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Показана можливість побудови адаптивної системи управління з використанням принципу частотно-залежною зворотного зв'язку і застосуванням многочастотного ідентифікує впливу. Алгоритм адаптації володіє відносною простотою, прийнятною для більшості промислових об'єктів точністю, не вимагає для реалізації великих обчислювальних ресурсів і здатний працювати в режимі реального часу.

    Технічний прогрес у розвитку промисловості і дослідження в науковій сфері поставили завдання створення автоматичних систем управління виключно високої точності і мінімальної складності. Такі автоматичні системи повинні без участі оператора знаходити умови високоефективного протікання технологічного і виробничого процесів в даних умовах роботи системи. Системи, що задовольняють цій вимозі, отримали назву адаптивних або самоналагоджувальних.

    Однією з істотних особливостей застосування більшості методів адаптації на практиці є непридатність управління деякими технологічними процесами (ТП), оскільки в самому об'єкті можуть існувати джерела внутрішніх неконтрольованих випадкових збурень. Це робить об'єкт управління (ОУ) вероят-

    ностно і тягне за собою необхідність в постійному контролі в процесі управління його поточного стану і оперативної корекції параметрів настройки або керуючого впливу.

    Пропонований спосіб побудови адаптивної системи управління (АдСУ), заснований на використанні активних частотних методів ідентифікації об'єктів. Застосування частотних методів дозволяє забезпечити перешкодозахищеність алгоритму, а також раціонально організувати активний експеримент на діючій (функціонуючої в нормальному робочому режимі) системі в плані мінімізації втручання в її роботу. Структурна схема пропонованої адаптивної системи представлена ​​на рис. 1, де БГА - блок гармонійного аналізу; ГП1 і ГП2 - генератори пачок частот; К1, К2 - керовані ключі; ^ = {КП, ГІ, ГД | вектор параметрів настройки регулятора;

    Координація та контроль

    Мал. 1. Структурна схема адаптивної системи

    к = {ЛТХ ... ЛТ; / г ... /} - вектор амплітуд і частот гармонік (утворюють тестовий сигнал); а = {Лт1 ... ЛТП; ф1 ... фп} - результати роботи БГА у вигляді вектора, вдають із себе сукупність амплітуд і фаз, виділених в сигналі гармонік, на частотах / г ... / п тестового сигналу; g - уставка (задає вплив); ? - помилка (сигнал неузгодженості); у - керуючий вплив; х - вихідний сигнал; хос - сигнал зворотного зв'язку; Іп -пробний ідентифікує сигнал; ЦП - сигнал компенсації.

    В організації структури адаптивної системи чітко виділяються три рівня ієрархії її функціонування, а саме:

    • 1-й рівень включає основний контур системи і складається з настроюється пропорційного інтегро-диференціального регулятора (ПІД-регулятора), ОУ, двох керованих ключів До і К2, і трьох сумматоров;

    • 2-ий рівень - контур адаптації, містить два програмованих генератора сигналів ГП1 і ГП2, БГА і блок «Аналізатор»;

    • 3-й рівень складається з блоку координації і контролю, що здійснює загальне управління процесами адаптації, ідентифікації та управління. Він визначає поведінку АдСУ в позаштатних ситуаціях, наприклад, при втраті стійкості.

    Контур самонастроювання (адаптації) функціонує наступним чином: генератор ГП1 формує на своєму виході (згідно з поточними налаштувань, що надходять з блоку «Координація і контроль» у вигляді вектора параметрів к) пробний сигнал ЦП. Пробний сигнал, що надходить на вхід ОУ, складається з суми гармонік і описується наступною формулою:

    ип = Х АТ 1 Бт (^),

    I = 1

    де / - номер гармоніки, т - загальна кількість гармонік в тестовому сигналі, / = А // - частота / -ої гармоніки, А / - крок по частоті, А / = А / т - визначає ширину частотного інтервалу сканування пробним сигналом.

    Можливі закони зміни амплітуд гармонік, складових пробний сигнал, можуть бути різними, наприклад рівномірний, лінійно або експоненціально регресний. Експериментально було встановлено, що вибір закону зміни амплітуд впливає на параметри якості управління основної системи.

    Для виділення пробного тестового сигналу на виході ОУ до складу АдСУ, пропонується включити БГА. Основне призначення БГА - пошук амплітуд і фаз гармонік на частотах / г ... / п тестового сигналу у вихідному сигналі ОУ і представлення результатів у вигляді вектора а = {Лт1 ... ЛТП; ф1 ... фп}. Результати роботи БГА у вигляді знайденого вектора параметрів надходять на генератор ГП2, на виході якого формується сигнал компенсації ЦП впливу пробного сигналу ЦП на ОУ. Потім сигнал ЦП віднімається на 3-му сумматоре з вихідного сигнал ОУ, усуваючи тим самим негативний вплив пробного сигналу на основну систему в процесі ідентифікації.

    Основне призначення блоку «Аналізатор» складається у відстеженні сталого значення фазового зсуву ФКР, визначенні критичної частоти об'єкта / КР, на якій фазовий зсув між входом і виходом дорівнює ФКР = -3,14 радий і визначенні амплітуди ЛтКР сталих коливань. За знайденою частоті і амплітуді, отриманої в результаті проведення частотної ідентифікації ОУ, здійснюється розрахунок параметрів регулятора в.

    Нормально замкнуті керовані ключі К1 і К2 при подачі сигналу з блоку «Координація і контроль» відключають ОУ, розриваючи замкнутий контур основної системи при:

    • здійсненні первинної ідентифікації ОУ, яка проводиться автоматично при першому включенні адаптивної системи в роботу для отримання початкових значень параметрів настроювання регулятора;

    • виникненні нештатних ситуацій, наприклад, втрата стійкості системи внаслідок швидкої зміни стану ОУ і вихід за межі контрольованого допуску.

    Для ідентифікації розходиться перехідного процесу в блоці «Координація і контроль» проводиться аналіз вихідного сигналу хос, зокрема, проводиться статистична обробка (розрахунок математичного очікування і дисперсії), це дозволяє визначити момент втрати стійкості адаптивної системи.

    Серед інженерних методів розрахунку параметрів регуляторів одні є більш точними, але трудомісткими для ручного рахунку, інші - простими, але наближеними. Найбільш поширеним способом, що відображає методику точного і наближеного розрахунку параметрів, є метод незатухаючих коливань (Циглера-Нікольса), заснований на виведенні діючої системи з пропорційним регулятором (П-регулятором) на кордон стійкості і розрахунку по критичної частоті і коефіцієнту передачі оптимальних параметрів настройки. Нижче наведені формули розрахунку параметрів аналогового ПІД-регулятора [1]:

    До п = 0,6 ККР;

    Т і = 1,2 ККР, / Кр;

    Т = 0,075 Кк ^,

    / КР

    Лт0 ,

    де ККР = ---------, Лщ) - амплітуда тестової гармоні-

    кр Лткр

    ки на вході ОУ, / КР і ЛтКР - відповідно встановилася критична частота і амплітуда коливань на виході ОУ. ККР знаходять в результаті рішення двох рівнянь, що відображають метод незатухаючих коливань:

    ФКР (/ кр) + n = 0;

    К = ________ 1_____

    кр Лткр (/ КРУ

    Для точної настройки системи досить визначити амплітуди-фазочастотную характеристику (АФЧХ) об'єкта у вузькому діапазоні - в околиці частоти резонансу (критичної частоти).

    Метод Циглера-Нікольса лежить в основі багатьох методів настройки дискретних ПІД-регулято-рів. Зокрема, якщо рекурентний алгоритм управління, відповідний аналоговому ПІД-закону, має вигляд [2]:

    у [к] = -К 0-е [к] -К • ^ ер] -К 2 -? [к] -? [к-1]),

    / = 0

    де у [к] - поточне розрахункове значення керуючого впливу; е [к],? к-1] - поточне і попереднє значення для сигналу неузгодженості; до - номер розрахункового кроку (ітерації). Тоді параметри налаштування регулятора К), К і К2 можуть бути знайдені за формулами:

    К = (0,6-0,27у / кр) ККР;

    К, = 1,2 ККР Т / кр;

    Кг = 0,075 ККР у /-,

    Т 0 • / кр

    де Т0 - період (інтервал) опитування.

    Варто відзначити, що параметри ПІД-регулято-ра, розраховані за формулами (1) і (2), носять су-боптімальний характер і будуть забезпечувати оптимальні за точністю параметри для різних типів ОУ, відповідні точці АФЧХ з довжиною вектора ЛТ = 0,8 і кутом ф = -2,62 радий [3]. Аналітично доведено, що оптимальні по мінімуму середньоквадратичної помилки (СКП) настройки ПІД-регулятора можна отримати, якщо визначати критичну частоту і модуль вектора АФЧХ об'єкта, відповідні фазового зсуву -2,11 радий [4].

    Варто зазначити, що для об'єктів з великою запізненням оптимальність отриманих налаштувань не гарантується. Це пов'язано з тим, що формули Циглера-Нікольса носять емпіричний характер і розраховані на об'єкти з відношенням т / Т від 0 до 0,5 (де т - запізнювання ОУ, Т - постійна часу ОУ). При т / Т>(0,5 ... 0,7) доцільно використання спеціальних регуляторів з компенсацією запізнювання.

    Для застосування зазначеної вище методики настройки ПІД-регулятора необхідно за результатами проведення частотної ідентифікації визначити стале значення амплітуди ЛтКР і частоти / КР критичних коливань ОУ. У зв'язку з цим одним із важливих завдань при функціонуванні запропонованої структури АдСУ є завдання визначення фазового зсуву гармонійних сигналів на вході і виході ОУ. Для визначення величини фазового зсуву застосовують методи: геометричний, спектральний, косинуса кута втрат.

    Варто відзначити, що не існує універсального методу визначення фазового зсуву, що має і високу точність, і швидкість перетворень, і низькі вимоги до аналізованих сигналів одночасно, тому в кожному конкретному випадку вибір робиться індивідуально, залежно від заявлених вимог. І, як правило, при виникненні практичного завдання з пошуку фазового зсуву реалізують тільки один з розглянутих методів, погіршуючи тим самим показники якості роботи цього алгоритму.

    В силу зазначених причин для функціонування системи в режимі реального часу в якості методу гармонійного аналізу використовується алгоритм швидкого перетворення Фур'є (ШПФ), що поєднується з достоїнствами геометричного методу. Однак необхідно відзначити, що існують альтернативні алгоритми, що вимагають менше речових операцій на один відлік. Наприклад, застосування ґратчастих періодичних функцій за рахунок істотного скорочення числа оброблюваних відліків може привести до значного 20 ... 40% скоротити тривалість роботи алгоритму (в залежності від числа відліків) в порівнянні з класичним алгоритмом ШПФ [5].

    Спосіб обчислення фазового зсуву за результатами проведення частотного аналізу пояснюється за допомогою рис. 2, на якому прийняті наступні позначення: А / - частотний діапазон Сканування-

    ня тестовим сигналом, А / - крок по частоті гармонійних складових тестового сигналу, / КР і ФКР - (відповідно) критична частота і фаза ОУ, п - розмір вибірки.

    Якщо знехтувати нелинейностями фазочастотной характеристики (ФЧХ) і вважати її умовно лінійної в околиці точки, відповідної критичної частоті, то / КР можна визначити за такою формулою:

    / Кр = ФФ ф (ФКР-фн) + / н,

    г 'тн

    де / В, / Н і фВ, ФН - частоти і фази сигналів, що лежать вище або нижче критичної точки (на рис. 2 ці точки позначені «3» і «2»).

    Відповідно до запропонованого способу побудови адаптивної системи з частотним поділом каналу управління та ідентифікації, рис. 1, в середовищі БтіІпк (Мана) була розроблена аналогічна їй динамічна модель (рис. 3).

    Серед АдСУ, що використовують активний частотний метод ідентифікації, найбільш широке поширення набула АдСУ, що містить в своєму складі генератор пробного гармонійного сигналу і синхронний детектор для виділення критичної частоти [6]. Графіки зміни поточного розрахованого значення критичної частоти / КР пропонованої адаптивної системи в порівнянні з АдСУ з синхронним детектором представлені на рис. 4. На рис. 4 прийняті наступні позначення:? П - момент зміни стану об'єкта (зміна критичної частоти с / 1КР на / 2кр), ^ і - моменти закінчення ідентифікації для адаптивної системи, / 3 і / 4 - моменти закінчення ідентифікації для АдСУ з синхронним детектором.

    Як видно з наведеного графіка (рис. 4), швидкість настройки розробленої АдСУ в порівнянні з АдСУ з синхронним детектором істотно вище, а саме: при проведенні первинної ідентифікації (при нульових початкових умовах) швидкість настройки більше ніж в 2 рази, а при поточній ідентифікації відрізняється на порядок. Співвідношення швидкостей налаштувань приблизно зберігається при інших типах ОУ і різних умов проведення експерименту, це підтвердила серія експериментів.

    Графіки визна-Олені поточних параметрів ПІД-регулятора ^ = {КП, ТІ, ТД} при проведенні первинної ідентифікації (при нульових початкових умовах), а також при відпрацюванні різних видів нестаціонарності ОУ наведені на рис. 5.

    В цілому точність проведення ідентифікації і розрахунок по її результатам параметрів ПІД-регуля-тора можна охарактеризувати прийнятним для більшості ТП. Більш детальна кількісна оцінка точності проведених розрахунків для різного кроку за частотою тестового сигналу приведена в таблиці.

    Мал. 3. Модель адаптивної системи з частотним поділом каналу управління і самонастроювання в середовищі Simuink (Matlab)

    Мал. 4. Процедура ідентифікації об'єкта частотним методом

    Мал. 5. Графіки визначення параметрів ПІД-регулятора (де \ ь видання - моменти прояви нестаціонарності ОУ)

    Варто зауважити, що зі зменшенням кроку за частотою А / збільшується період тестового сигналу, а це в свою чергу призводить до збільшення тривалості перехідного процесу і як наслідок часу самонастроювання, тому на практиці слід шукати розумний компроміс між швидкістю самонастроювання і точністю розрахунків.

    До переваг розробленого методу адаптації також можна віднести можливість визначення параметрів ПІД-регулятора без використання математичних моделей ОУ, побудова яких для більшості реальних об'єктів істотно ускладнено.

    Застосування адаптивного регулятора з частотним поділом каналу управління і самонастроювання дозволяє:

    1. автоматично визначати близькі до оптимальних настройки ПІД-алгоритмів управління для об'єктів з різною динамікою;

    2. вести процес самонастроювання при мінімальному рівні пробного сигналу, що не приводить до порушення нормального режиму роботи ОУ, при цьому амплітуда пробного сигналу на виході ОУ становить не більше 0,3 ... 0,5%, на вході 1 ... 5% ;

    3. запускати процес самонастроювання одночасно на всіх регуляторах, встановлених в ТП;

    Таблиця. Результати експериментів по оцінки точності розрахунків

    Результати Крок за частотою, Af, Гц

    1,0 0,8 0,5 0,2 0,1

    fa Розрахунок. +2,59739996136133

    Фіз. 2,5712 2,5781 2,5850 2,5886 2,5887

    СКО,% 1,0106 0,7448 0,4790 0,3380 0,3349

    Розрахунок. 3,0580003724e-3

    Акр фіз. 0,0032 0,0031 0,0030 0,0030 0,0030

    СКО,% 4,0921 2,6894 1,2867 0,9131 0,7496

    Розрахунок. +9,8103323567

    Кп фіз. 9,4197 9,5351 9,6504 9,7402 9,7602

    СКО,% 3,9818 2,8060 1,6302 0,7199 0,5321

    Розрахунок. 1,9622189e-2

    Ті фіз. 0,0200 0,0199 0,0199 0,0197 0,0195

    СКО,% 1,8513 1,6349 1,4186 0,6151 0,5432

    Розрахунок. 4,721227238e-1

    Тд фіз. 0,4540 0,4620 0,4700 0,4731 0,4730

    СКО,% 3,8363 2,1418 0,4474 0,1974 0,1931

    4. здійснювати контроль процесу самонастроювання і коригування налаштувань з боку оператора;

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Ротач В.Я. Адаптація в системах управління технологічними процесами // Промислові АСУ та контролери. - 2005. - № 1. - С. 4-10.

    2. Ротач В.Я. Розрахунок настройки промислових систем регулювання. - М.-Л .: Госенергоіздат, 1961. - 344 с.

    3. Ротач В.Я., Клюєв А.С. та ін. Автоматизація настройки систем управління / Под ред. В.Я. Ротача. - М .: Вища школа, 1984. - 272 с.

    4. Мазуров В.М. Принципи побудови і методи реалізації оптимальних і адаптивних регуляторів для об'єктів з запізненням: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Тула: ТулГТУ, 1994. - 40 с.

    5. здійснювати контроль процесу самонастроювання в автоматичному режимі з метою виключення нестійкої роботи системи;

    6. налаштовувати контуру регулювання з різними, заздалегідь невідомими періодами опитування. На підставі вищевикладеного можна зробити

    висновок про те, що використання адаптивної системи з частотним поділом каналу управління і самонастроювання на основі ПІД-регулятора дозволяє істотно підвищити швидкодію замкнутої системи управління в порівнянні з адаптивною системою управління з синхронним детектором, а також домогтися прийнятних для більшості промислових ОУ показників якості перехідних процесів. При цьому контур управління АдСУ не рвуться і працює одночасно з контуром адаптації. Зміна налаштувань роботи алгоритму БПФ, що лежить в основі роботи БГА, дозволяє настроїти роботу адаптивної системи управління в режимі реального часу.

    5. Пат. 2229139 РФ. МКІ G01R 23/16. Спосіб спектрального аналізу складних несинусоїдальних періодичних сигналів представлених цифровими відліками / В.С. Аврамчук, Є.І. Гольдштейн. Заявлено 10.12.02; Опубл. 20.05.2004, Бюл. № 14. - 10 с .: іл.

    6. Спіцин А.В. Адаптивні регулятори з пробним гармонійним сигналом для об'єктів зі змінними параметрами: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Тула, 2001. - 20 с.

    Надійшла 14.09.2006 р.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити