Энциклопедия АСУ ТП Спонсор проекта: Skip Navigation LinksЭнциклопедия АСУ ТП : 5 ПИД-регуляторы : 5.6 Автоматическая настройка и адаптация Соспонсор:




Робот BotEyes




Промышленные контроллеры RealLab!

5.6. Автоматическая настройка и адаптация

Естественным направлением развития коммерческих ПИД-регуляторов является разработка методов, позволяющих снизить затраты человеческого труда на их инсталляцию, настройку и обслуживание. Несмотря на то, что многие методы автоматической настройки и адаптации ПИД-регуляторов, используемые в настоящее время, были разработаны еще в 60-х годах [Справочник], в промышленных контроллерах адаптивная техника начала использоваться только с середины 80-х. Это связано с технической сложностью реализации адаптивных алгоритмов на элементной базе, которая существовала до появления микроконтроллеров.

Настройка может выполняться вручную или автоматически, без участия человека (автонастройка).

Автонастройка может выполняться полностью автоматически и "по требованию", когда человек является инициатором настройки. Полностью автоматическая настройка может инициироваться при наступлении заранее заданного условия, например, при изменении нагрузки, при изменении внешних воздействий, при изменении погрешности регулирования, или непрерывно во времени. Автоматическая настройка, инициируемая без участия человека, называется адаптацией. Примером адаптации может быть автонастройка при изменении числа яиц в инкубаторе или нагрузки на валу двигателя. Иногда термин "адаптация" трактуют более широко, как приспособление регулятора к реальному объекту на стадии ввода системы в эксплуатацию [Справочник].

Разновидностью адаптации является разомкнутое управление параметрами регулятора (табличная автонастройка), когда заранее найденные параметры регулятора для разных условий работы системы заносятся в таблицу, из которой они извлекаются при наступлении условий, по которым инициируется адаптация.

Адаптация в принципе является медленным процессом, поэтому ее нельзя рассматривать как непрерывное слежение параметров регулятора за изменяющимися параметрами объекта.

Отметим, что регуляторы, настроенные в автоматическом режиме, чаще настроены хуже, чем настроенные в ручном режиме [O'Dwyer]. Объясняется это философским рассуждением, что компьютер не может выполнять сложные и плохо формализуемые задачи лучше человека.

В настоящий момент отсутствуют простые, надежные и общепринятые методы автоматической настройки.

5.6.1. Основные принципы

Все виды автоматической настройки используют три принципиально важных этапа: идентификация, расчет параметров регулятора, настройка [Изерман]. Часто конечный этап включает этап подстройки (заключительная оптимизации настройки). Оптимизация настройки необходима в связи с тем, что методы расчета параметров регулятора по формулам являются упрощенными, не учитывают нелинейности объекта, в частности, всегда присутствующую нелинейность типа "ограничение", а идентификация параметров объекта выполняется с некоторой погрешностью. Подстройка регулятора может быть поисковой (без идентификации объекта, путем поиска оптимальных параметров) и беспоисковой (с идентификацией). Поисковая идентификация базируется обычно на правилах (см. раздел "Ручная настройка, основанная на правилах") или на итерационных алгоритмах поиска минимума критериальной функции. Наиболее распространен поиск оптимальных параметров с помощью градиентного метода поиска. Для этого находят производные от критериальной функции по параметрам ПИД-регулятора, которые являются компонентами вектора градиента. Далее производится изменение параметров в соответствии с направлением градиента.

Важно подчеркнуть, что несмотря на наличие "автоматической" подстройки, контроллер может не дать требуемого качества регулирования по причинам, не зависящим от качества заложенных в него алгоритмов. Например, объект управления может быть плохо спроектирован (зависимые контуры регулирования, большая задержка, высокий порядок объекта); объект может быть нелинейным; датчики могут быть расположены не в том месте, где нужно и иметь плохой контакт с объектом, уровень помех в канале измерения может быть недопустимо большим; разрешающая способность датчика может быть недостаточно высокой; источник входного воздействия на объект может иметь слишком большую инерционность или гистерезис; могут быть также ошибки в монтаже системы, плохое заземление, обрывы проводников и т. д. Поэтому прежде чем начинать автоматическую настройку, необходимо убедиться в отсутствии перечисленных проблем. Например, если вследствие износа механической системы появился непредусмотренный проектом гистерезис и поэтому система находится в режиме колебаний, подстройка регулятора может не дать желаемого результата, пока не устранена причина проблемы.

Рис. 5.87. Адаптивное управление с помощью параметров, заранее записанных в таблицу

Рис. 5.88. Общая структура системы с автоматической настройкой

Структурная схема самонастраивающейся системы приведена на рис. 5.88. Автонастройка практически не имеет никаких особенностей по сравнению с описанными ранее методами, за исключением того, что она выполняется в автоматическом режиме. Основным этапом автоматической настройки и адаптации является идентификация модели объекта. Она выполняется в автоматическом режиме обычными методами, рассмотренными в разделе "Идентификация моделей динамических систем". Автоматическая настройка может выполняться и без идентификации объекта, основываясь на правилах (см. раздел "Ручная настройка, основанная на правилах") или поисковых методах.

5.6.2. Табличное управление

Наиболее простым методом адаптации ПИД-регулятора к изменяющимся свойствам объекта управления является табличное управление коэффициентами регулятора. Оно может быть использован не только для адаптивного управления, но и для управления нелинейными объектами, нестационарными процессами, при необходимости изменять параметры в зависимости от некоторых условий.

Принцип табличного управления очень прост (рис. 5.87). Зная заранее возможные изменения режима работы системы (например, возможные варианты загрузки инкубатора яйцами), выполняют идентификацию объекта для нескольких разных режимов и для каждого из них находят параметры регулятора. Значения этих параметров записывают в таблицу. В процессе функционирования системы измеряют величину, которая характеризует режим работы системы (например, вес яиц - с помощью датчика веса, или уровень жидкости в автоклаве с помощью датчика уровня) и в зависимости от ее значений выбирают из таблицы величины коэффициентов ПИД-регулятора.

Описанную систему можно рассматривать как систему с двумя контурами регулирования. Однако контур, служащий для адаптации, в нашем примере с уровнем жидкости в автоклаве или весом яиц в инкубаторе является разомкнутым. По этой причине табличное управление характеризуется высоким быстродействием, отсутствием ложного срабатывания или расхождения алгоритмов адаптации.

В общем случае таблица может быть многомерной; для снижения необходимой размерности таблицы можно использовать интерполяцию данных с помощью сплайна.

Недостатком этого метода являются большие затраты на предварительную идентификацию, необходимую для составления таблицы. Однако эту проблему частично можно решить применением специальных программных средств для автоматической идентификации и адаптации регулятора, после выполнения которых полученные параметры заносятся в таблицу.

Табличное управление коэффициентами регулятора целесообразно использовать в тех случаях, когда заранее известны виды и величины дестабилизируюших факторов, которые к тому же можно измерить.

5.6.3. Обзор коммерческих продуктов

Описание коммерческих продуктов, приведенное ниже, может показаться слишком неполным, непонятным и оставляет без ответа многие вопросы. Это связано с ограниченным количеством информации, которую предоставляют перечисленные ниже фирмы о своей продукции.

В подавляющем большинстве ПИД-регуляторов, защищенных патентами [Li], используются методы настройки, основанные на формулах, а не на правилах. Еще меньше контроллеров, применяющих нейронные сети и методы оптимизации. Однако доля патентов на контроллеры, использующие правила, в последние годы заметно увеличилась, в основном за счет регуляторов с нечеткой логикой (см. раздел "Нечеткая логика в ПИД-регуляторах"). Увеличилась также доля патентов на регуляторы с оптимизацией; все они используют градиентные методы, метод наименьших квадратов, эволюционные алгоритмы (см. раздел "Генетические алгоритмы").

Foxboro EXACTTM (760/761)

Foxboro была одной из первых компаний, представивших на рынок адаптивные ПИД-регуляторы. Первый адаптивный регулятор Foxboro EXACTTM (760/761), выпущенный в октябре 1984 г., был основан на распознавании образов; в дальнейшем было сделано множество модификаций в алгоритмах его функционирования. Эти алгоритмы легли также в основу построения распределенной системы управления Foxboro I/ATM. Контроллер EXACT MV> TM включает три функциональных блока: PIDA, FBTUNE и FFTUNE. PIDA является современным ПИД-контроллером, FBTUNE служит для настройки петлевого усиления, предварительной настройки и адаптации, FFTUNE выполняет настройку прямой связи в регуляторе (см. раздел "Принцип разомкнутого управления") и табличное управление.

Интегральный член регулятора выполнен в соответствии со структурой, показанной на рис. 5.58. Контроллер имеет последовательную структуру (5.84). В контроллере использована также структура, показанная на рис. 5.64 и специальная структура , которая является модификацией предиктора Смита.

Адаптация в контроллере основана на распознавании образов и аналогична процедуре, которую бы выполнял опытный пользователь. Применены также эвристические правила настройки (см. раздел "Ручная настройка, основанная на правилах"). Качество настройки контролируется по двум параметрам: перерегулирование и коэффициент затухания.

Контроллер имеет следующий набор параметров:

  • начальные значения параметров , ;
  • допустимый уровень шума . При превышении этого уровня в 2 раза начинается процесс адаптации (автоматической настройки);
  • максимальное время ожидания . Контроллер ждет появления второго выброса в течение времени , чтобы определить период колебаний в системе.

Если пользователь не может задать перечисленные параметры, то запускается программа предварительной настройки, которая приближенно может определить эти параметры в ручном режиме (с участием пользователя). Для этого контроллер вырабатывает ступенчатый сигнал, который подается на вход объекта управления. По реакции на него определяются параметры модели первого порядка и параметры контроллера, которые вычисляются по методу Зиглера-Никольса (см. раздел "Выбор параметров регулятора"). После нахождения величины задержки максимальное время ожидания вычисляется по формуле .

Для оценки уровня шума на вход объекта подают постоянный уровень сигнала и находят уровень шума на выходе, используя фильтр, чтобы исключить влияние низкочастотных внешних воздействий на результат измерений. Величину определяют как размах (от минимума до максимума) выходной переменной на осциллограмме шума.

Контроллер имеет также несколько опциональных параметров, которые принимают значения "по умолчанию", если они не заданы пользователям. К ним относятся (в скобках указаны значения "по умолчанию"):

  • максимально допустимый коэффициент затухания (3,3);
  • максимально допустимое перерегулирование (0,5);
  • множитель при дифференциальной составляющей (1);
  • диапазон подстройки (10). Этот коэффициент ограничивает диапазон автоматического изменения параметров при их подстройке. Например, если задана интегральная составляющая 10 мин., то при подстройке она не может выйти за нижнюю границу 1 мин. и верхнюю границу 100 мин.

В последних моделях регуляторов Foxboro используется двойной прямоугольный импульс (рис. 5.12-в) вместо ступенчатого воздействия в ранних версиях. Наряду с моделью первого порядка с задержкой используется модель второго порядка с задержкой. Подстройка петлевого усиления выполняется по-прежнему методом распознавания образов. Используется также метод компенсации возмущений с помощью регулятора с прямой связью (см. раздел "Принцип разомкнутого управления").

ПИД-контроллеры фирмы ABB

В контроллерах ABB адаптация основана на частотной релейной идентификации (см. раздел "Частотная идентификация в режиме релейного регулирования"). Первый адаптивный контроллер назывался ECA-40TM. Эта система также использовала метод табличного управления параметрами регулятора. Впоследствии методы адаптации дополнились непрерывной (во времени) адаптацией, адаптацией не только петлевого усиления, но и параметров прямой связи, а также методами диагностики. Перечисленные методы были воплощены в модели ECA600 TM, выпущенной в 1988 году. Эти же принципы использованы в распределенной системе управления Industrial IT System 800xA TM, которая использует еще и методы нечеткой логики и предиктивный ПИ (ППИ) регулятор.

Для идентификации используется режим релейного регулирования (см. раздел "Частотная идентификация в режиме релейного регулирования"). Для этого сначала устанавливается желаемое рабочее значение входной переменной для объекта, затем оператор нажимает кнопку автонастройки. Регулятор сначала измеряет уровень шума, затем в контур регулирования включается реле с гистерезисом, при этом алгоритм ПИД-регулирования временно отключается. Величина гистерезиса устанавливается автоматически, на основе измеренного уровня шума на выходе объекта. Чем меньше измеренный уровень шума, тем меньше может быть амплитуда колебаний в системе в режиме релейного регулирования. Амплитуда колебаний автоматически настраивается такой величины, чтобы быть выше уровня шума. После получения колебаний с установившейся амплитудой и частотой эксперимент прерывается и по его результатам вычисляется частота колебаний и коэффициент передачи объекта на этой частоте методом гармонической линеаризации (см. раздел "Частотная идентификация в режиме релейного регулирования").

Частотная идентификации в режиме релейного регулирования выполняется с применением реле с регулируемым гистерезисом (см. раздел "Частотная идентификация в режиме релейного регулирования"), что позволяет задавать частоту колебаний ниже частоты . По умолчанию колебания задаются такими, чтобы петлевое усиление контура на частоте колебаний было равно . Поскольку частотная идентификация дает только два параметра (частоту и коэффициент передачи), а ПИД-регулятор имеет три параметра, то используется дополнительное соотношение .

Описанная процедура идентификации иногда дает очень большое усиление для объектов с малой задержкой. В этом случае используется ПИ-регулятор с коэффициентами, которые рассчитываются по формулам , . Для объектов с большой задержкой используются формулы , .

Для идентификации параметров в режиме релейного регулирования используются два узкополосных фильтра, настроенных на частоту колебаний в системе . Один из них фильтрует сигнал на входе объекта, второй - на его выходе. Фильтры позволяют получить первую гармонику ряда Фурье, которая используется в методе гармонического баланса (см. раздел "Частотная идентификация в режиме релейного регулирования"). Эта частота предварительно находится также из эксперимента с колебаниями в релейном регуляторе, методом наименьших квадратов.

В последних версиях контроллеров ABB после идентификации в режиме релейного регулирования используется дополнительный этап идентификации по реакции объекта на входной скачок для идентификации статического коэффициента передачи.

В контроллерах ABB используется также табличное управление (см. выше), которое используется практически во всех промышленных контроллерах и других производителей. Переменные, от которых зависят коэффициенты регулятора, выбираются пользователем. Ими могут быть управляющее воздействие на объект, выходная переменная системы или внешний сигнал. В последних версиях регуляторов были существенно расширены размеры таблиц для табличного управления. Данные для ввода в таблицу находятся путем выполнения процедуры автонастройки для нужных режимов работы объекта.

Во всех контроллерах ABB, начиная с ECA400TM, используется адаптивная прямая связь от возмущений (компенсация возмущений), которая позволяет существенно улучшить качество системы регулирования.

ПИД-контроллеры Emerson

Методы адаптивного регулирования, заложенные еще в распределенной системе управления Provox TM и RS3 TM, впоследствии были перенесены и расширены в системе DeltaV TM. Система использует автонастройку, табличное управление и адаптацию. Имеется также программное обеспечение для нечеткого регулирования и систем с транспортной задержкой.

Автоматическая настройка базируется на методе релейной идентификации. Используются несколько периодов колебаний в системе. Амплитуда колебаний выбирается равной нескольким процентам от полного динамического диапазона системы. Для оценки величины транспортной задержки используется реакция на скачок. Полученные таким способом три параметра достаточны для идентификации модели первого порядка с задержкой. Для этого используются, по выбору пользователя, метод Зиглера-Никольса, регулятор с внутренней моделью (см. раздел "Регулятор с внутренней моделью") или ламбда-тьюнинг [Astrom]. Система построена таким образом, что неопытные пользователи имеют мало опций для выбора, а опытные - много. Система имеет также встроенную подсистему моделирования, которая позволяет увидеть графики процесса регулирования до того, как коэффициенты регулятора будут записаны в контроллер.

Адаптивное управление базируется на данных, полученных из процесса во время его нормальной работы, без тестовых воздействий, а также, по выбору пользователя, с тестовыми воздействиями.

ПИД-контроллеры фирмы Honeywell

Адаптация в контроллере UDC6000TM выполняется как с помощью предварительной идентификации модели, так и на основе правил. Идентификация выполняется по отклику на скачок. Величину приращения уставки относительно рабочей точки задает пользователь. Эксперимент выполняется в разомкнутом контуре. Величина задержки определяется как время от начала эксперимента до момента, когда выходная переменная достигнет некоторого малого, наперед заданного значения.

В процессе эксперимента отслеживается величина производной от выходной переменной. Если производная все время уменьшается, выбирается модель первого порядка, параметры которой идентифицируются по нескольким точкам переходной характеристики. Идентификация выполняется на интервале, равном 1/3 от постоянной времени и заканчивается до того, как процесс в системе установится. Если производная имеет максимум, выбирается модель второго порядка и идентификация выполняется на интервале времени, включающем установившееся состояние объекта.

Контроллер UDC6000TM может работать и в режиме непрерывной адаптации, которая выполняется, как только выходная переменная изменится более чем на 0,3% (эта величина может быт изменена пользователем) от заданного значения.

5.6.4. Программные средства настройки

Типовая система для настройки ПИД-регулятора состоит из компьютера с программным обеспечением под Windows, комплекта модулей ввода-вывода и соединительных кабелей. Объект включается в контур регулирования, система настраивается желаемым способом, затем полученный коэффициенты регулятора записываются в ПИД-контроллер. Благодаря удобному пользовательскому интерфейсу, большой производительности компьютера и отсутствию ограничений на алгоритмы идентификации системы, удается получить параметры регулятора, близкие к оптимальным.

В настоящее время имеется около полусотни коммерческих продуктов [Li] для настройки ПИД-регуляторов. Среди них - Protuner фирмы Techmation Inc., LabVIEW PID Control Toolset фирмы National Instruments, Intelligent Tuner (Fisher-Rosemount), Profit PID (Honeywell) и др.

Среди аналитических методов настройки в этих программах наиболее распространены ламбда-тьюнинг [Astrom] или метод регулятора с внутренней моделью (см. раздел "Регулятор с внутренней моделью"). Подавляющее большинство программ использует модель первого порядка с задержкой для описания объекта регулирования.

Связь с оборудованием выполняется с помощью ОРС сервера, DDE, COM или DCOM технологии, среди которых только ОРС сервер является средством, основанным на международном стандарте.

Развитие описываемых средств идет в направлении расширения диапазона поддерживаемых ПИД-регуляторов, применения методов искусственного интеллекта и методов диагностики, развития пользовательского интерфейса. Современные средства настройки позволяют анализировать износ клапанов, делать оценку робастности, автоматически генерировать отчет с параметрами контура регулирования, строить графики спектральной плотности мощности и функций авто- и взаимной корреляции, делать оптимизацию инверсной модели объекта управления и т. п.

Techmation Protuner

Protuner [Techmation] - это система для настройки ПИД-регуляторов фирмы Techmation Inc. Система отображает графики переходного процесса, выполняет преобразование экспериментальных характеристик из временной области в частотную и вычисляет параметры регулятора, используя несколько различных методов настройки.

Перед началом работы системы пользователю предлагается меню для ввода априорной информации об объекте регулирования:

  • диапазон изменения входного и выходного сигналов объекта;
  • тип процесса в объекте управления: интегрирующий или нет;
  • желаемые единицы измерения;
  • структура контроллера (идеальная, последовательная или параллельная);
  • частота дискретизации;
  • постоянная времени фильтра в измерительном канале.

Идентификация выполняется с помощью анализа реакции на входной скачок, в замкнутом или разомкнутом контуре, по выбору пользователя. Рекомендуется вариант в разомкнутом контуре. После того, как пользователь нажимает кнопку "Старт", входной и выходной сигнал отображаются на экране компьютера.

Имеется некоторые возможности предварительной обработки собранных данных. К ним относится удаление грубых ошибок измерений и выбросов, связанных с импульсными помехами, а также цифровая фильтрация. Это позволяет выполнять эксперименты в реальных условиях индустриального окружения.

После предварительной обработки данных Protuner выполняет расчет частотной характеристики объекта, которая может быть отображена в виде диаграммы Боде, Найквиста или Никольса. Отображаются также статический коэффициент передачи, постоянные времени и транспортная задержка, частота и период .

Параметры ПИД-регулятора вычисляются по частотным характеристикам. Сначала вычисляются постоянная интегрирования и постоянная дифференцирования, затем, на основе заданного запаса по фазе и усилению вычисляется пропорциональный коэффициент регулятора.

Качество регулирования задается в виде понятий "сильно демпфированная" переходная характеристика, "слабо демпфированная" и "быстрая" (с коэффициентом затухания 1/0,38).

Protuner дает разные коэффициенты регулятора для реакции на изменение уставки и нагрузки.

Имеются средства для моделирования системы до записи параметров в ПИД-контроллер. Могут быть также построены частотные характеристики замкнутой системы, которые позволяют оценить полученный запас по фазе и усилению.


© RLDA Ltd. info@rlda.ru  Рейтинг@Mail.ru Спонсоры проекта: , а также