Міністерство промислової політики України

Державне підприємство “

Науково-виробнича корпорація

“Київський інститут автоматики” ”

Криховецький Георгій Яремович

УДК 62-55:681.515

Параметричний синтез цифрових регуляторів систем управління температурою електричних
і газових печей

05.13.07 – автоматизація технологічних процесів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-виробничій корпорації “Київський інститут автоматики” Міністерства промислової політики України.

Науковий керівник - заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Гостєв Володимир Іванович,

завідувач кафедри комутаційних систем

Державного університету інформаційно-

комунікаційних технологій Міністерства

транспорту та зв’язку України.

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор

Зайцев Григорій Фролович,

професор кафедри радіотехнологій

Державного університету інформаційно-

комунікаційних технологій Міністерства

транспорту та зв’язку України,

- кандидат технічних наук, с.н.с.

Бойчук Богдан Ілліч,

директор державного науково-виробничого

підприємства "Рект" ДП “Науково-виробнича

корпорація “Київський інститут автоматики””

Міністерства промислової політики України.

Провідна установа - Національний університет харчових технологій

Міністерства освіти і науки України,

кафедра автоматизації та комп’ютерно-інтегрованих технологій.

Захист відбудеться 25.10.2006 р. о “13” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.818.01 ДП “НВК “Київський інститут автоматики”” за адресою: 04107, Київ-107, вул. Нагірна, 22, корп.1, к.219.

Відзиви на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи, просимо надсилати на адресу: 04107, Київ-107, вул. Нагірна, 22, ДП “НВК “КІА””, вченому секретарю.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ДП “НВК “Київський інститут автоматики””.

Автореферат розісланий 09.09.2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук Л. П. Тронько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з найважливіших задач інтенсифікації виробництва є впровадження систем автоматичного управління як складової частини технологічних процесів. На даний час в області виробництва вирішальне значення мають підвищення його економічності й застосування енергозберігаючих технологій. Для України одним з пріоритетних напрямків є теплоенергетика. Різко підвищуються вимоги до якості процесу регулювання та управління технологічними установками, до яких відносяться електричні й газові печі великої потужності. Неефективність їхнього використання приводить до істотних економічних втрат. Оптимальні (економічно найвигідніші) режими роботи електричних і газових печей можуть підтримуватися тривалий час тільки за умови автоматичного управління їхніми основними параметрами. Впровадження автоматики є необхідною умовою забезпечення високої ефективності й безаварійної експлуатації даних печей.

На даний час основними шляхами технічного прогресу в металургії, нафтопереробці, нафтохімії й хімії є збільшення потужності й підвищення економічної ефективності технологічних установок, зниження собівартості й поліпшення якості цільових продуктів. Якість і кількість одержуваних продуктів, а також техніко-економічні показники всієї технологічної установки в значній мірі залежать від теплового й технологічного режимів електричних і газових печей, що робить очевидною практичну цінність і актуальність задачі оптимізації роботи електричних і газових печей, яка не може бути вирішена без застосування систем автоматичного управління, якість роботи яких визначається в основному використовуваними регуляторами.

Розробці систем автоматичного управління параметрами електричних і газових печей присвячена велика кількість робіт вітчизняних та зарубіжних вчених, серед них роботи І.В. Анісімова, А.М. Бєлєнького, О.М. Блінова, Ю.Г. Брука, А.В. Васильєва, Г.М. Глінкова, Л.Д. Гуттермана, М.Ш. Ісламова, В.Ю. Каганова, Я. Котишка, С.Л. Лотмана, В.А Маковського, В. Рода, В.Я. Ротача, А.Д. Свєнчанського, Є.П. Стефані, Г.А. Фарнасова, Ф.И. Хасмамєдова, І.К. Енно та інших.

Існуючі способи регулювання параметрів електричних і газових печей засновані, в основному, на застосуванні аналогових ПІД-регуляторів.

Сучасний етап розвитку теорії й техніки систем автоматичного управління характеризується істотним прогресом в області цифрових систем управління, що обумовлено розвитком засобів обчислювальної техніки, особливо мікропроцесорів і мікроЕОМ. Математичний опис регуляторів і моделей об'єктів управління в дискретному часі дозволяє істотно спростити синтез регуляторів і їхню технічну реалізацію. У цей час розроблені й знаходять застосування нові класи регуляторів, зокрема, оптимальні за швидкодією і нечіткі (що працюють на базі нечіткої логіки) цифрові регулятори. На основі цифрових регуляторів можуть бути побудовані системи автоматичного управління будь-яких типів, а програмне забезпечення систем можна коректувати як при проектуванні, так і в процесі їхньої експлуатації. Актуальною задачею є впровадження нових типів цифрових регуляторів у системах автоматичного управління параметрами електричних і газових печей.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок наукових досліджень безпосередньо пов'язаний з тематикою науково-дослідних робіт, проведених в 2003-2006 рр. у Науково-виробничій корпорації “Київський інститут автоматики” у рамках Державної програми України по енергозбереженню.

Ціль й задачі дослідження. Ціль дисертаційної роботи – підвищення якості цифроаналогових систем автоматичного управління параметрами електричних і газових печей шляхом застосування цифрових оптимальних за швидкодією, нечітких і ПІД- регуляторів.

Об'єктом дослідження є системи автоматичного управління параметрами електричних і газових печей, а предметом дослідження – підвищення динамічної точності й швидкодії систем автоматичного управління параметрами електричних і газових печей. Предмет дослідження визначає тему дисертаційної роботи, яка полягає в розробці методик параметричного синтезу цифрових регуляторів для систем автоматичного управління параметрами електричних і газових печей з урахуванням часу чистого запізнювання в об'єктах управління й дослідженні методом математичного моделювання даних систем із синтезованими регуляторами, що забезпечують необхідну якість.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі необхідно вирішити наступні основні науково-технічні задачі:

-

-

-

-

Методи дослідження. Дисертаційні задачі вирішувалися з використанням загальних методів теорії аналогових і цифрових систем автоматичного управління, зокрема методів перетворення Лапласа й z-перетворення, методів ідентифікації, а також математичного апарату інтерактивної системи МАТLAB.

Наукова новизна отриманих результатів. В дисертації отримані наступні наукові результати:

удосконалено методики параметричного синтезу нечітких (що працюють на базі нечіткої логіки) і ПІД- регуляторів, які використовуються разом із предиктором Сміта, для систем автоматичного управління параметрами електричних і газових печей з урахуванням часу чистого запізнювання в об'єктах управління;

для систем з об'єктами чистого запізнювання удосконалено методику параметричного синтезу цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів, при роботі яких немає необхідності у використанні предиктора Сміта;

синтезовано цифрові регулятори для систем автоматичного управління параметрами електричних і газових печей;

на основі методики синтезу цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів в інтерактивній системі MATLAB для систем автоматичного управління параметрами електричних і газових печей вперше розроблені структурні схеми оптимальних за швидкодією регуляторів, які “апроксимують” вхідне діяння функціями часу, що лінійно змінюються, з додатковим блоком, який генерує імпульси “підставки” на інтервалах часу чистого запізнювання після генерації “керуючих” імпульсів основним блоком;

вперше представлено результати дослідження цифроаналогових систем автоматичного управління параметрами електричних і газових печей із синтезованими цифровими оптимальними за швидкодією, нечіткими й ПІД-регуляторами при східчастих і довільних вхідних діяннях;

дано порівняльну оцінку ефективності роботи регуляторів різних типів з метою рекомендацій до практичного застосування в конкретних системах автоматичного регулювання параметрів електричних і газових печей.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наукові положення, рекомендації і висновки дисертації обгрунтовані сучасними методами досліджень печей як об’єктів автоматизації і збіжністю теоретичних розрахунків з результатами математичного моделювання систем управління електричних і газових печей, досвідом використання результатів роботи при розробці технічних проектів на створення систем управління технологічним режимом термічної печі.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі наукових результатів, отриманих у дисертаційній роботі, можна проектувати мікропроцесорні системи автоматичного управління параметрами електричних і газових печей, які забезпечують оптимальне за швидкодією управління при східчастих вхідних діяннях і досить високу точність відпрацьовування довільних вхідних діянь за рахунок використання синтезованих цифрових оптимальних за швидкодією, нечітких і ПІД- регуляторів. Практичну цінність являють удосконалені методики параметричного синтезу цифрових оптимальних за швидкодією, нечітких і ПІД- регуляторів з врахуванням часу чистого запізнювання в об'єктах управління.

Результати дисертаційної роботи використано при проектуванні системи управління технологічним режимом термічної печі ПРН-25 для Інституту газу НАН України на державному науково-виробничому підприємстві “АСТЭС” ДП “Науково-виробнича корпорація “Київський інститут автоматики”” (протокол №1 від 21.04.2005 р.).

Особистий внесок автора. Отримані в дисертаційній роботі результати належать особисто авторові. В опублікованих роботах у співавторстві здобувачем отримані наступні результати: в [1] представлені критерії оптимізації та показана неоднозначність настроювання нечітких регуляторів, яку треба враховувати при практичній реалізації регуляторів в системах автоматичного керування; в [2] обґрунтований вибір цифрового регулятора системи управління температурою електропечі; в [3] і [4] обґрунтовано вибір параметрів „вхід-вихід” і функцій належності при настроюванні нечітких регуляторів; в [5] викладено оцінку робастності системи регулювання температури на виході однопотокової трубчастої печі з різними цифровими регуляторами, представлені результати математичного моделювання системи з цифровими оптимальними за швидкодією, ПІД- та нечітким регуляторами; в [6] і [10] викладено синтез цифрового регулятора для двопотокової трубчастої газової печі; в [7] представлено методику параметричного синтезу нечіткого і ПІД- регуляторів для двопотокової трубчастої печі; в [8] викладено синтез робастних регуляторів для однопотокової трубчастої газової печі; в [9] представлено результати дослідження процесів в системах управління температурою електропечі; в [11] викладено оцінку робастності системи управління з різними цифровими регуляторами методом математичного моделювання.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародній науково-практичної конференції “Современные информационные и электронные технологии ” (м. Одеса, 17-21 травня 2004 р.), на міжнародній конференції з автоматичного управління “Автоматика - 2004" (м. Київ, 27-30 вересня 2004р.), на міжнародній науково-методичній конференції “Актуальні проблеми розвитку інформаційно-комунікаційних технологій навчання в напрямку інтеграції вищої освіти України до єдиного Європейського простору” (Київ, 21-22 жовтня 2004 р., Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій), на міжнародній конференції з автоматичного управління “Автоматика – 2005" (м. Харків, 30 травня – 3 червня 2005 р.), на семінарах у НВК “Київський інститут автоматики”.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 наукових статей у журналах, затверджених ВАК України як спеціальні видання по технічних науках, і 4 тези доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновку і списку використаних джерел. Загальний об'єм роботи 154 сторінки, у тому числі 54 рисунки і 9 сторінок використаних джерел із 79 найменувань.

На захист виносяться:

удосконалені методики параметричного синтезу цифрових оптимальних за швидкодією, нечітких (що працюють на базі нечіткої логіки) і ПІД-регуляторів для систем автоматичного управління параметрами електричних і газових печей з урахуванням часу чистого запізнювання в об'єктах управління;

математичні моделі систем автоматичного управління параметрами електричних і газових печей з синтезованими цифровими регуляторами;

результати дослідження цифроаналогових систем автоматичного управління параметрами електричних і газових печей із синтезованими цифровими оптимальними за швидкодією, нечіткими й ПІД-регуляторами при східчастих і довільних вхідних діяннях методом математичного моделювання.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, показано її місце серед інших робіт у даній галузі науки, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок здобувача та відомості про публікації за темою дисертації.

У першому розділі розглянуті системи автоматичного управління основними параметрами металургійних печей, а також системи автоматичного управління температурою трубчастих печей.

З’ясовано, що незважаючи на розмаїття електричних і газових печей та видів теплової обробки металів, спільність головних призначень печей (отримання тепла та передача його матеріалу) призводить до того, що системи управління параметрами різних печей служать для виконання однакових функцій. Спільність функцій визначає одноманітність структурної побудови локальних систем автоматичного управління параметрами печей.

Підкреслено, що до автоматичних систем управління трубчастих печей висувають високі вимоги, оскільки їх тепловий та технологічний режими відзначаються на роботі технологічної установки, впливають на якість та кількість цільового продукту.

Відмічено, що статичні й динамічні властивості печей як об’єкта управління найчастіше можна апроксимувати послідовним з’єднанням аперіодичних ланок та ланок чистого запізнювання. В деяких випадках передавальні функції трубчастих печей як об’єктів управління мають достатньо складний вигляд. Основним регульованим параметром електричних і газових печей, як правило, є температура. На визначених, базових режимах роботи передавальні функції печей як об’єктів управління можна вважати сталими.

Зазначено, що якість роботи систем автоматичного управління параметрами електричних і газових печей визначається в основному регуляторами, які використовуються. На даний час розроблені і застосовуються нові класи регуляторів, зокрема, оптимальні за швидкодією й нечіткі (що працюють на базі нечіткої логіки) цифрові регулятори, які здатні забезпечити вищу якість систем у порівнянні з традиційними регуляторами.

У другому розділі розглянуті структурні схеми та методики параметричного синтезу цифрових ПІД-регулятора, оптимального за швидкодією та нечіткого (що працює на базі нечіткої логіки) регуляторів. Для ПІД-регулятора передавальна функція записується у вигляді , де – крок дискретизації.

На відміну від методики Зіглера – Нікольса для вибору коефіцієнтів регулятора запропонована автоматична настройка регулятора при заданому критерії якості і вхідному діянні на систему, як показано на рис.1,а. Настроювання коефіцієнтів виконується в блоках помножувачів (рис. 1,б).

Рис. 1. Структурні схеми системи управління з ПІД-регулятором (а) та ПІД-регулятора (б).

Особливістю методики синтезу нечіткого регулятора (структурна схема якого представлена на рис. 2,а) є те, що на вхід нечіткого регулятора подаються три лінгвістичні змінні – похибка системи , швидкість зміни (перша похідна) похибки , прискорення (друга похідна) похибки , які якісно характеризуються (з метою спрощення розрахунків) тільки двома терм-множинами (лінгвістичними величинами): негативою – 1, позитивною – 2. Дані терм-множини описуються на універсальній множині відповідно двома функціями належності та . Функції та повинні бути симетричними одна відносно другої та перетинатися при значенні . Крім того, функція повинна бути спадаючою, а – зростаючою.

Рис. 2. Структурні схеми нечіткого регулятора та блоків нормування

вхідних та вихідного сигналів.

В якості першої та другої похідних від похибки обчислюються перша та друга різниця: ; ). Для спрощення нормування (перерахунку значень сигналів у значення елементів єдиної універсальної множини) діапазони зміни вхідних та вихідного сигналів (параметрів нечіткого регулятора) прийняті симетричними. Тоді формули перерахунку набувають вигляду: На основі цих формул побудовано структурні схеми блоків нормування вхідних (normin – рис. 2,б) та вихідного (normout – рис. 2,в) сигналів. Значення діапазонів А, В, С, D при настроюванні (оптимізації параметрів) нечіткого регулятора підбираються вручну або автоматично шляхом розв’язання оптимізаційної задачі. В центральному блоці нечіткого регулятора Fuzzy Logic Controller (рис. 2,а) вибираються функції належності membership functions, задається база правил rules та виконується рішення логічних рівнянь з метою знаходження абсциси центра тяжіння результуючої фігури, яка обмежена результуючою функцією належності.

Для об’єктів управління з чистим запізнюванням нечіткий та ПІД- регулятори застосовуються разом з предиктором Сміта (рис. 3, де Р – регулятор). Якщо синтезувати регулятор Р для об'єкта без запізнювання , то за наявності запізнювання якість перехідного процесу не змінюється, а відбувається лише зсув вихідної змінної системи на час запізнювання . Вказаний метод компенсації запізнювання не дозволяє вирішити завдання забезпечення необхідної динамічної точності системи, тому сам регулятор Р слід синтезувати, наприклад, з метою забезпечення мінімальної інтегральної оцінки якості.

Рис.3. Приклад застосування нечіткого та ПІД– регуляторів разом з предиктором Сміта.

Ланку запізнювання з передавальною функцією на практиці реалізують,як правило, наближенням Паде другого порядку .

Методика синтезу оптимального за швидкодією цифрового регулятора для об’єктів з чистим запізнюванням містить наступні кроки: 1) визначаємо передавальну функцію загального об’єкта управління; 2) на підставі цієї передавальної функції визначаємо амплітуди „керуючих” імпульсів , чия кількість дорівнює порядку передавальної функції загального об’єкта управління , а тривалість кожного імпульсу дорівнює кроку квантування ; 3) обираємо крок квантування (якщо крок квантування менший ніж час запізнювання , виражаємо час запізнювання цілим числом кроків квантування ; якщо час запізнювання менший ніж крок квантування, виражаємо крок квантування цілим числом інтервалів запізнювання ); 4) записуємо тривалість інтервалу регулювання у вигляді , якщо , або у вигляді , якщо ;
5) моделюємо структурну схему формування “керуючих” імпульсів й імпульсів “підставки”; 6) моделюємо структурну схему формування швидкості (першої різниці) вхідного діяння на інтервалі регулювання (), швидкості (першої різниці) вхідного діяння на інтервалі регулювання й приросту швидкості на інтервалі регулювання ().Достатньо повні таблиці для амплітуд керуючих імпульсів для різних передавальних функцій об’єктів управління приведені в роботі. Цифровий оптимальний за швидкодією регулятор розраховується для довільних діянь, що поступають на вхід системи, оскільки в такому регуляторі закладено процедуру апроксимації довільних лінійно змінних вхідних діянь на кожному інтервалі регулювання.

Цифровий оптимальний за швидкодією регулятор не потребує предиктора Сміта і в багатьох випадках забезпечує значно вищу якість систем управління об’єктами зі значним запізненням.

Матеріали даного розділу опубліковані в роботах [1-4,8].

У третьому розділі представлені дослідження системи управління температурою електропечі, передавальна функція лінійної моделі якої визначається як з трьома типами регуляторів. Показано, що швидкодія системи з оптимальним за швидкодією регулятором більш ніж в три рази перевищує швидкодію системи з ПІД-регулятором і забезпечує перехідний процес без перерегулювання. Поточна похибка в системі з оптимальним за швидкодією регулятором хоч і перевищує похибку неузгодженості в системі з ПІД-регулятором є достатньо малою. Нечіткий регулятор також забезпечує близький до аперіодичного перехідний процес з невеликими коливаннями і досить малу поточну похибку. Проведено синтез цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів систем автоматичного управління параметрами електропечі, передавальна функція якої при різних співвідношеннях кроку квантування регулятора та часу запізнювання процесів в об’єкті управління. Викладено простий спосіб ідентифікації параметрів електропечей як об’єктів управління. Оскільки реальна фізична система та оточуючі умови, в яких вони працюють, не можуть бути змодельовані абсолютно точно, то оцінюється робастність систем автоматичного управління температурою електропечі (об’єктом управління другого порядку з запізнюванням) з трьома типами регуляторів. Неточне задання найбільшої сталої часу електропечі мало впливає на форму перехідного процесу в системі, яка використовує будь-який з розглянутих типів регулятор. Однак неточне задання коефіцієнта підсилення приводить до значної деформації перехідного процесу, особливо в системі з оптимальним за швидкодією цифровим регулятором, у якій, крім того, тривалість перехідного процесу значно збільшується.

Матеріали даного розділу опубліковані в роботах [5,9,11].

У четвертому розділі представлені результати синтезу цифрових оптимального за швидкодією, нечіткого та ПІД- регуляторів для однопотокової трубчастої печі, передавальна функція якої має вигляд , а також результати оцінки робастності систем автоматичного управління температурою печі з цифровими регуляторами.

Структурна схема цифрового оптимального за швидкодією регулятора, який має крок квантування , складається зі схеми формування "керуючих імпульсів" (рис. 4,а) і схеми формування "імпульсів підставки" (рис. 4,б). Цей регулятор не потребує предиктора Сміта. Він забезпечує аперіодичний (без перерегулювання) перехідний процес тривалістю 120с після затримки на 180с. Це дає можливість встановлювати необхідну температуру сировини за час, що не перевищує 300с.

Рис. 4. Структурні схеми блоків цифрового оптимального за швидкодією регулятора.

При надходженні на вхід системи діяння похибка не перевищує 4% від амплітуди синусоїди.

При настроюваних нечіткому та ПІД- регуляторах, які застосовуються разом з предиктором Сміта, в системі забезпечується перехідний процес тривалістю близько 2000с і при надходженні на вхід системи діяння похибка становить приблизно 20% від амплітуди синусоїди. Таким чином оптимальний за швидкодією регулятор у порівнянні з нечітким і ПІД- регуляторами має великі переваги як по швидкодії, так і по точності, які особливо виражені при точному настроюванні цього регулятора, коли ідентифіковані параметри об'єкта управління і ці параметри є стаціонарними.

Представлені результати синтезу цифрових оптимального за швидкодією, нечіткого та ПІД- регуляторів для двопотокової трубчастої печі (рис. 5,а), структурна схема якої представлена на рис. 5,б.

За умови симетричності каналів передавальна функція об’єкта з виконавчим пристроєм має вигляд . В результаті розкладання експоненціальної функції в ряд передавальну функцію об’єкта можна записати у вигляді , де

Рис. 5. Двопотокова трубчаста піч та її структурна схема.

Розглянуті два варіанти синтезу оптимального за швидкодією цифрового регулятора: 1) , ; 2) , , де – число кроків квантування в інтервалі регулювання; . У першому варіанті регулятор формує 5 "керуючих імпульсів" і 3 "імпульси підставки". У другому варіанті регулятор формує 5 "керуючих імпульсів" і 2 "імпульси підставки". Схеми формування "імпульсів підставки" показані на рис. 6.

а) h=60, N=8 б) h=90, N=7

Рис. 6. Схеми блоків формування "імпульсів підставки" цифрового оптимального за швидкодією регулятора.

При вхідному діянні максимальна поточна похибка дорівнює 4,6% в першому і 7% в другому варіанті від амплітуди синусоїди. Необхідна температура сировини встановлюється за 550с.

При настроюваних нечіткому та ПІД- регуляторах в системі забезпечується перехідний процес тривалістю близько 2000с і при надходженні на вхід системи діяння похибка становить приблизно 16...20% від амплітуди синусоїди. Таким чином, система з оптимальним за швидкодією регулятором у порівнянні з системою з нечітким і ПІД- регуляторами має великі переваги як по швидкодії, так і по точності.

Матеріали даного розділу опубліковані в роботах [5-7,10].

ВИСНОВКИ

1. Удосконалено методики параметричного синтезу нечітких (що працюють на базі нечіткої логіки) і ПІД- регуляторів, які використовуються разом з предиктором Сміта. Методика параметричного синтезу ПІД-регуляторів базується на включенні блока оптимізації коефіцієнтів регулятора та перестроюванні коефіцієнтів за рахунок використання помножувачів. Особливістю методики синтезу нечіткого регулятора є те, що на вхід нечіткого регулятора подаються три лінгвістичні змінні – похибка системи , швидкість зміни (перша похідна) похибки , прискорення (друга похідна) похибки , які якісно характеризуються тільки двома терм-множинами: негативною, позитивною. Функції належності прийняті трикутними та симетричними одна відносно другої та перетинаються при значенні універсальної осі . Діапазони зміни вхідних та вихідного сигналів (параметрів нечіткого регулятора) також прийняті симетричними.

2. Удосконалено методику параметричного синтезу цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів, при роботі яких немає необхідності у використанні предиктора Сміта. Синтез регуляторів для об’єктів управління з запізнюванням базується на включенні спеціального блока, який в доповнення генерації “керуючих” імпульсів основним блоком генерує спеціальні імпульси “підставки” на інтервалі часу запізнювання після генерації “керуючих” імпульсів.

3. Вперше представлено результати дослідження цифроаналогових САУ параметрами електричних і газових печей із синтезованими цифровими оптимальними за швидкодією, нечіткими й ПІД-регуляторами при східчастих і довільних вхідних діяннях.

4. В результаті дослідження системи управління температурою електропечі (об'єктом управління другого порядку з запізнюванням) з трьома типами регуляторів показано, що перехідні процеси в системі з цифровим ПІД-регулятором мають досить велике перерегулювання (до 50%) і великий час регулювання (до 100с), а в системі з оптимальним за швидкодією регулятором перехідні процеси не мають перерегулювання і час регулювання менший у три рази. В режимі спостереження за гармонійним сигналом поточна похибка в системі з оптимальним за швидкодією регулятором хоча й перевищує похибку неузгодженості в системі з ПІД-регулятором, але є досить малою. Встановлено, що нечіткий регулятор забезпечує близький до аперіодичного перехідний процес з часом регулювання, що не перевищує 30с, і досить малу поточну похибку, але перехідний процес при цьому має коливання. Рекомендовано для практичного використання оптимальний за швидкодією цифровий регулятор.

5. Наведено методику синтезу цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів систем автоматичного управління температурою електропечі при різних співвідношеннях кроку квантування регулятора та часу запізнювання процесів в об’єкті управління і на базі методики проведено дослідження систем управління температурою електропечі (об'єктом управління з різним часом запізнювання).

6. Викладено простий спосіб ідентифікації параметрів електропечі як об’єкта управління, в якому передавальна функція ланки чистого запізнювання представлена наближенням Паде другого порядку.

7. Досліджено робастність систем управління температурою електропечі (об'єктом управління другого порядку з запізнюванням) з трьома типами регуляторів. Показано, що неточне задання найбільшої сталої часу електропечі мало впливає на форму перехідного процесу в системі, яка використовує будь-який з розглянутих типів регуляторів, але неточне задання коефіцієнта підсилення приводить до значної деформації перехідного процесу, особливо в системі з оптимальним за швидкодією цифровим регулятором, у якій, крім того, тривалість перехідного процесу значно збільшується.

8. В результаті дослідження системи управління температурою однопотокової трубчастої печі як об'єктом управління з достатньо великим часом затримки встановлено, що для такого об'єкта управління доцільне застосування цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів, які забезпечують значно кращу динаміку системи управління об'єктом, ніж ПІД- або нечіткі регулятори. Показано, що переваги цифрового оптимального за швидкодією регулятора особливо виражені при точному настроюванні його параметрів, коли ідентифіковані параметри об'єкта і ці параметри є стаціонарними. Даний регулятор забезпечує після затримки на 180с аперіодичний (без перерегулювання) перехідний процес із часом регулювання, що не перевищує 120с. Це дає можливість встановлювати необхідну температуру сировини за час, що не перевищує 300с. При синусоїдальному діянні поточна похибка не перевищує 4% від амплітуди синусоїди. При відхиленнях значень параметрів передавальної функції об'єкта управління на 30% від розрахункових максимальна поточна похибка збільшується до 8% від амплітуди синусоїди. Для систем управління температурою однопотокової трубчастої печі при нечіткому або ПІД- регуляторі і предикторі Сміта при синусоїдальному діянні поточна похибка досягає 20% від амплітуди синусоїди.

9. Для достатньо складної передавальної функції двопотокової трубчастої печі знайдено наближену передавальну функцію, для якої синтезовано оптимальний за швидкодією цифровий регулятор. В результаті дослідження системи автоматичного управління температурою двопотокової трубчастої печі із синтезованим оптимальним за швидкодією цифровим регулятором встановлено, що зміна кроку квантування з 60с до 90с приводить до збільшення поточної похибки. При цьому зменшується перерегулювання з 60% до 27%, але час регулювання в перехідному процесі збільшується. Регулятор забезпечує після затримки приблизно на 200с перехідний процес із часом регулювання, що не перевищує 350с. Це дає можливість встановити необхідну температуру сировини за час, що не перевищує 550с. При синусоїдальному діянні поточна похибка дорівнює 4,6% при кроці квантування 60с та 7% при кроці квантування 90с від амплітуди синусоїди.

10. Достовірність наукових результатів, висновків і рекомендацій підтверджена результатами теоретичних розрахунків та математичного моделювання.

На підставі наукових результатів, одержаних в дисертації, можливо проектувати мікропроцесорні системи автоматичного управління основними параметрами електричних та газових печей високої якості за рахунок використання цифрових регуляторів, синтезованих для об’єктів з великим часом запізнювання.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гостев В.И., Ананин А.В., Криховецкий Г.Я. Неоднозначность настройки нечетких цифровых регуляторов в системах автоматического управления // Вісник технологічного університету Поділля (Хмельницький державний університет). – 2004.– №2.– Ч.1.– Т.1 (60). – С. 43–46.

2. Гостев В.И., Крайнев В.В., Криховецкий Г.Я. Выбор цифрового регулятора системы управления температурой электропечи // Автоматизація виробничих процесів.– 2004. – №1 (18). – C.70–75.

3. Гостев В.И., Крайнев В.В., Криховецкий Г.Я. Статические характеристики “ вход-выход” цифровых нечетких регуляторов // Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій. – 2004. – Т.2. – №2. – С. 73–76.

4. Гостев В.И., Крайнев В.В., Криховецкий Г.Я. Функции принадлежности для нечетких регуляторов систем автоматического управления // Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій. – 2004. – Т.2. – №1. – С. 30–32.

5. Гостев В.И., Скуртов С.Н., Крайнев В.В., Криховецкий Г.Я. Оценка робастности системы регулирования температуры на выходе однопоточной трубчатой печи с различными цифровыми регуляторами // Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій. – 2004. – Т.2. – №3. – С. 145–150.

6. Гостев В.И., Скуртов С.Н., Крайнев В.В., Криховецкий Г.Я. Синтез цифрового регулятора двухпоточной трубчатой печи // Автоматизація виробничих процесів. – 2005. – №2 (21). – C. 124–129.

7. Гостев В.И., Скуртов С.Н., Криховецкий Г.Я. Параметрический синтез нечеткого и ПИД- регуляторов для двухпоточной трубчатой печи // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2005. – №4. – С. 37–40.

8. Гостев В.И., Крайнев В.В., Криховецкий Г.Я. Синтез робастных регуляторов для однопоточной трубчатой газовой печи // Матеріали 11-ї міжнародної конференції з автоматичного управління “Автоматика–2004”: Київ, 27–30 вересня 2004р. – К.: Національний університет харчових технологій, 2004. – Т.2. – С.13.

9. Гостев В.И., Крайнев В.В., Криховецкий Г.Я. Системы управления температурой электропечи // Матеріали міжнародної науково-методичної конференції “Актуальні проблеми розвитку інформаційно-комунікаційних технологій навчання у напрямку інтеграції вищої освіти України до єдиного Європейського простору”: Київ, 21–22 жовтня 2004р.–К.: Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, 2004. – С. 54–57.

10. Гостев В.И., Криховецкий Г.Я. Синтез цифрового регулятора двухпоточной трубчатой печи // Матеріали 12-ї міжнародної конференції з автоматичного управління “Автоматика–2005”: Харків, 30 травня – 3 червня 2005 р. – Харків: Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, 2005.– Т.2. – С. 98–99.

11. Гостев В.И., Яременко В.Н., Криховецкий Г.Я. Оценка робастности системы управления с различными цифровыми регуляторами методом математического моделирования // Труды пятой международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”: – Одесса; 17–21 мая 2004 г. – Одесса: Одесский национальный политехнический университет – С.122.

АНОТАЦІЇ

Криховецький Г.Я. Параметричний синтез цифрових регуляторів систем управління температурою електричних і газових печей. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – “Автоматизація технологічних процесів”. – ДП “Науково-виробнича корпорація “Київський інститут автоматики””, 2006.

Дисертація присвячена підвищенню якості (зменшенню динамічних похибок і підвищенню швидкодії) цифроаналогових систем автоматичного управління параметрами електричних і газових печей шляхом застосування цифрових оптимальних за швидкодією, нечітких (що працюють на базі нечіткої логіки) і ПІД- регуляторів. Удосконалено методики параметричного синтезу нечітких і ПІД- регуляторів, які використовуються разом із предиктором Сміта, для систем автоматичного управління параметрами електричних і газових печей з урахуванням часу чистого запізнювання в об'єктах управління. Для систем з об'єктами чистого запізнювання удосконалено методику параметричного синтезу цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів, при роботі яких немає необхідності у використанні предиктора Сміта. Синтезовано цифрові регулятори для систем автоматичного управління параметрами електричних і одно- та двопотокових газових печей. На основі методики синтезу цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів в для систем автоматичного управління параметрами електричних і одно- та двопотокових газових печей розроблені структурні схеми оптимальних за швидкодією регуляторів, які “апроксимують” вхідне діяння функціями часу, що лінійно змінюються, з додатковим блоком, який після генерації “керуючих” імпульсів основним блоком, генерує імпульси “підставки” на інтервалах часу чистого запізнювання. Проведено дослідження цифроаналогових систем автоматичного управління параметрами електричних і одно- та двопотокових газових печей із синтезованими цифровими оптимальними за швидкодією, нечіткими й ПІД-регуляторами при східчастих і довільних вхідних діяннях. Наведені порівняльні чисельні оцінки ефективності роботи регуляторів різних типів з метою рекомендацій до практичного застосування в конкретних системах автоматичного регулювання параметрів електричних і газових печей.

Ключові слова: електрична піч, однопотокова трубчаста піч, двопотокова трубчаста піч, система автоматичного управління, оптимальний за швидкодією цифровий регулятор, нечіткий регулятор, ПІД-регулятор, параметричний синтез, математична модель, математичне моделювання.

Криховецкий Г.Я. Параметрический синтез цифровых регуляторов систем управления температурой электрических и газовых печей.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – “Автоматизация технологических процессов”. – ГП “Научно-производственная корпорация “Киевский институт автоматики””, 2006.

Диссертация посвящена повышению качества (уменьшению динамических ошибок и повышению быстродействия) цифроаналоговых систем автоматического управления параметрами электрических и газовых печей путем применения цифровых оптимальных по быстродействию, нечетких (работающих на базе нечеткой логики) и ПИД- регуляторов. В работе решена задача параметрического синтеза данных регуляторов для систем автоматического управления параметрами электрических и газовых печей и проведено исследование методом математического моделирования систем с синтезированными регуляторами, обеспечивающими необходимое качество систем при наличии в объектах управления значительного чистого запаздывания. Усовершенствованы методики параметрического синтеза нечетких и ПИД- регуляторов, используемых вместе с предиктором Смита, для систем автоматического управления параметрами электрических и газовых печей с учетом времени чистого запаздывания в объектах управления. Методика параметрического синтеза ПИД-регуляторов базируется на включении блока оптимизации коэффициентов регулятора при их перестройке путем использования блоков умножения. Особенностью методики синтеза нечетких регуляторов является то, что на вход регулятора подаются три лингвистические переменные (ошибка, скорость и ускорение ошибки), которые качественно характеризуются двумя терм-множествами, функции принадлежности – треугольные и пересекающиеся на середине универсальной оси, а диапазоны изменения входных и выходного сигналов приняты симметричными. Для систем с объектами чистого запаздывания усовершенствована методика параметрического синтеза цифровых оптимальных по быстродействию регуляторов, при работе которых нет необходимости в использовании предиктора Смита. На основе методики синтеза цифровых оптимальных по быстродействию регуляторов в интерактивной системе MATLAB разработаны структурные схемы регуляторов, “аппроксимирующих” входное воздействие линейно изменяемыми функциями времени, с дополнительным блоком, который после генерации “управляющих” импульсов основным блоком генерирует импульсы “подставки” на интервалах времени чистого запаздывания. Синтезированы цифровые регуляторы для систем автоматического управления параметрами электрических, одно- и двухпоточных газовых печей. В результате проведенных исследований цифроаналоговых систем автоматического управления параметрами электрических и газовых печей с синтезированными цифровыми оптимальными по быстродействию, нечеткими и ПИД- регуляторами при ступенчатых и произвольных входных воздействиях показано, что цифровые оптимальные по быстродействию регуляторы обеспечивают значительно лучшие переходные процессы (без перерегулирования, с меньшим временем регулирования) систем управления параметрами электрических, одно- и двухпоточных газовых печей, имеющих большое время чистого запаздывания, чем нечеткие и ПИД- регуляторы. При гармонических входных возбуждениях меньшие текущие ошибки обеспечивают нечеткие и ПИД- регуляторы. Даны сравнительные численные оценки эффективности работы регуляторов разных типов с целью рекомендаций к практическому применению в конкретных системах автоматического регулирования параметрами электрических и газовых печей. Приведена методика синтеза цифровых оптимальных по быстродействию регуляторов систем автоматического управления температурой электропечи при различных соотношениях шага квантования регулятора и времени запаздывания процессов в объекте управления и на базе данной методики проведены исследования систем управления температурой электропечи (объектом управления с различным временем запаздывания). Изложен простой способ идентификации параметров электропечи как объекта управления, в котором передающая функция звена чистого запаздывания представлена приближением Паде второго порядка. Исследована робастность управления температурой электропечи (объектом управления второго порядка с запаздыванием) с тремя типами регуляторов. Показано, что неточное задание наибольшей постоянной времени электропечи мало влияет на форму переходного процесса в системе, которая использует любой из рассмотренных типов регуляторов, но неточное задание коэффициента усиления приводит к значительной деформации переходного процесса, особенно в системе с оптимальным по быстродействию цифровым регулятором, в которой, кроме того, продолжительность переходного процесса значительно увеличивается.

Ключевые слова: электрическая печь, однопоточная трубчатая печь, двухпоточная трубчатая печь, система автоматического управления, оптимальный по быстродействию цифровой регулятор, нечеткий регулятор, ПИД-регулятор, параметрический синтез, математическая модель, математическое моделирование.

Krikhovetsky G.Y. Parametric synthesis of digital regulators of control systems of temperature electrical and gas furnaces. - the Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.07 – “ Automation of technological processes” – Research-and-production corporation “ the Kiev institute of an automation ”, 2006.

The thesis is devoted to rise of quality (decrease of dynamic errors and rise of speed) of digital-analogue automatic control systems of parameters of electrical and gas furnaces by application digital optimum on speed, fuzzy (working on the basis of fuzzy logic) and PID-controllers. The techniques of parametric synthesis fuzzy (working on the basis of fuzzy logic) and PID- controllers used together with predictor of Smith, for automatic control systems of parameters of electrical and gas furnaces in view of a dead time in controlled objects. For systems with objects of a dead time the technique of parametric synthesis of digital optimum on speed controllers is advanced, by which operation there is no necessity for usage predictor of Smith. The digital controllers for systems of automatic control of parameters electrical and one and two-line gas furnaces are synthesized. On the basis of a technique of synthesis of digital optimum on speed controllers