Разработка проекта АСУ процесса нагрева на базе учебного стенда

1. Пьявченко Т.А. Проектирование АСУТП в SCADA-системе TRACE MODE. Учебное пособие. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. – 262 с. ил.

 

 

Разработка проекта АСУ процесса нагрева на базе учебного стенда

 

Создание проекта в SCADA-системе

Задание:

а) по полученной в результате идентификации ОУ его передаточной функции рассчитать параметры регулятора, обеспечивающие следующие показатели процесса управ-ления: статическую ошибку – нулевую, перерегулирование – не более 5 %, длительность переходного процесса в раза меньше времени установления разгонной характеристи-ки ОУ. Тип регулятора: ПИ или ПИД определяется сложно-стью передаточной функции ОУ;

б) проверить путем моделирования в пакете MatLab замк-нутой системы регулирования температуры обеспечения за-данных выше показателей процесса управления, при необ-ходимости подстроить параметры регулятора в модели сис-темы;

в) создать тренд для контроля влажности и температуры;

г) выполнить масштабирование полученных значений па-раметров настройки регулятора с учетом выбранных значе-ний шага дискретности по времени и периода используе-мого широтно-импульсного преобразователя ;

д) осуществить ввод командами с консоли ОРС-сервера полученных значений параметров в модуль NL-4RTD.

е) запустить систему и сохранить результаты эксперимента.

Выполнение задания

Расчет параметров регулятора

Исходные данные. Требования к показателям качества про-цесса управления, сформулированные выше; передаточная функция объекта управления, заданная двумя вариантами:

а) , ,

б) ;

численные значения её параметров, полученные в резуль-тате идентификации; передаточная функция ПИ регулятора

.

При расчете параметров ПИ-регулятора для ОУ с пере-даточной функцией варианта а) используем метод компенсации постоянных времени [1], в соответствии с которым выбираем величину Т _и,равной значению б о льшей постоянной времени :

.

Записываем передаточную функцию замкнутой системы:

(3.1)

– коэффициент передачи датчика выходной величины (он учтен в ).

Как видно из выражений (3.1), передаточная функция замк-нутой системы представлена в виде передаточной функции колебательного звена. Выбрав величину коэффициента зату-хания , равной 0,7, получим значение , обеспечива-ющее требуемые показатели качества регулирования. При этом

. (3.2)

Пример 1

Объект управления представлен передаточной функцией а) с параметрами: .

С учетом (3.2) получили . Схема модели замкнутой системы и график переходного процесса представлены на рис. 3.1. Как видим из рис. 3.2, вход в 5-процентную трубку выполняется за 20с.

Рис. 3.1

Рис. 3.2

При расчете параметров ПИ-регулятора для ОУ с транспортным запаздыванием и передаточной функцией варианта б) используем критерий Найквиста, на основе которого разработан метод расчета параметров по выбранному запасу по фазе [2].

Передаточная функция разомкнутого контура системы имеет вид

.

Запишем выражения для амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик.

, (3.3)

. (3.4)

Определив значение постоянной времени регулятора как

(3.5)

запишем выражение (3.4) для частоты среза в виде

. (3.6)

Представим с учетом (3.5) уравнение (3.6) как

. (3.7)

Откуда найдем величину . (3.8)

Поскольку на частоте среза амплитудно-частотная характеристика равна 1, то из выражения (3.3) после подстановки в него значений (3.5) и (3.6) можно найти величину коэффициента .

. (3.9)

Пример 2

Пусть с, с, и . Тогда

и .

Схема модели замкнутой системы для ОУ с транспортным запаздыванием представлена на рис. 3.3, а переходный процесс – на рис. 3.4.

Рис. 3.3

Рис. 3.4

 

Как видно из графиков рис. 3.2 и 3.4, поставленные в задании требования, обеспечены.

Расчет параметров ПИД-регулятора для ОУ с транс-портным запаздыванием и передаточной функцией вари-анта б) предлагается выполнять в соответствии со следующей методикой [2]:

а) записать передаточную функцию разомкнутой системы как ;

б) записать выражение для фазовой характеристики разо-мкнутой системы ;

в) приравнять полученное выражение к желаемому запасу по фазе на частоте среза = и определить значение , положив предварительно .

г) подставив вычисленное значение в выражение для модуля комплексного коэффициента передачи разомкнутой системы и приравняв его к 1, определить коэффициент настройки ;

д) регулируя величину запаса устойчивости по фазе , можно величиной изменять качество переходного процесса.

Пример 3. Рассчитать параметры ПИД-регулятора для системы регулирования температуры, параметры объекта у которой равны: с, с, Требуется обеспечить апериодический переходный процесс c перерегулированием не более 5% и длительностью , отвечающей условию:

. (3.10)

и сравнить с результами примера 2.

Решение. Записываем фазочастотную характеристику для разомкнутой системы с ПИД-регулятором и заданным ОУ для частоты среза

При выполнении условия п. в), т.е. последнее выражение примет вид:

(3.11)

Задавая запас по фазе таким же, как в примере 2, т.е. рад и используя пакет MatLab, из графического решения уравнения (3.11) получаем значение частоты , равное 0.0057с^-1 (рис. 3.5).

Рис. 3.5

Программа в Editor MatLab для получения представленного графика с числовыми значениями параметров имеет вид

for i=1:10000;

x(i)=0.00001*i;

y(i)=atan(600*x(i)/(1-30000*x(i)*x(i)))-atan(600*x(i))+0.5;

z(i)=+50*x(i);

end;

plot(x,y,'k',x,z,'r');grid on;

Затем по уравнению

для полученной величины вычисляем значение параметра настройки = 1.78.

Моделирование рассматриваемой системы в среде SIMULINK пакета MatLab (рис.3.6) подтвердило возмож-

Рис. 3.6.

ность получения апериодического переходного процесса (рис. 3.7) заданной длительности с минимальным перерегу-

Рис. 3.7

лированием для САУ, использующей в управляющем устрой-стве ПИД закон управления, значения параметров настройки которого рассчитаны по запасу устойчивости по фазе. Однако длительность переходного процесса оказалась затянутой по сравнению с результатом примера 2, хотя и удовлетворяет требованиям задания. Можно улучшить результат, увеличивая коэффициент усиления системы, например, до 3,7 (рис. 3.8), но получить такой же результат, как с ПИ регулятором не удается.

Рис. 3.8

Следовательно, для объекта с транспортным запазды-ванием не всегда эффективен ПИД закон управления. Оче-видно это связано с соотношением постоянной времени ОУ и величиной запаздывания .

2. Организация управления нагревателем от дискрет-ного выхода Dout0, вентиляторами – от Dout1 и Dout2. В данном проекте потребуется создать один шаблон экрана «ЭКРАН НАБЛЮДЕНИЙ » с трендом выходных характе-ристик для наблюдения за переходными процессами в системе (можно использовать из раздела 2 настоящего посо-бия). Дляобъектов ОУ1 и ОУ2 следует добавить кривую «Влажность», выполняя ту же последовательность действий, что и для кривой «Температура». В результате тренд будет выглядеть так, как показано на рис. 3.9. Буква «А» в названии канала «Температура» говорит о том, что информация о температуре получается от аналогового датчика ТСМ (для этого нужно изменить привязку кривой «Температура», она должна быть к Vin0), в то время как влажность измеряется цифровым датчиком.

Рис. 3.9

Создание узла АРМ и его базы каналов. В созданном на прошлом занятии узле АРМ – RTM_1 создадим еще один канал «Влажность», для чего вызываем ПК мыши свойства канала класса «Вызов» – “Call”, переходим на вкладку «Аргументы», создаем канал «Влажность» и автопостроим его, как и остальные (рис. 3.10 и предыдущую работу).

Рис. 3.10

Организация компонента «Источники\приемники». В компонентах «Источники\приемники» нажатием ПК созда-дим группу «ОРС», в которой еще одну группу «ОРС_сервер». В группе «ОРС_Сервер» создадим два компонента «ОРС» и переименуем их в «Температура» и «Влажность».

Привяжем теги проекта к тегам модуля ввода/вывода, образ которого находится в программе NLopc. Для этого в редакторе свойств компонентов ОРС «Температура» и «Влажность» нажмем кнопку «Обзор», тем самым, вызвав браузер ОРС.

Рис. 3.11

Выберем ветвь NLopc.server и в правой части окна ответвление NL4RTD_01D6C1. Далее привяжем компонент «Температура» к тегу Vin0.

Рис. 3.12

Привязку компонента «Влажность» осуществим в ответвлении NL30ML_02D6C1 к тегу Sensor2 (рис. 3.13).

Рис. 3.13

Далее в верхнем экране навигатора проекта выберем компонент «Тренд» узла RTM_1, а в нижнем – компоненты ОРС-сервера и осуществим привязку каналов с соответ-ствующими компонентами перетаскиванием с зажатой ЛК мыши (рис. 3.14).

Рис. 3.14

3. Масштабирование значений параметров регулято-ра и ввод их командами с консоли ОРС-сервера в модуль NL-4RTD. Как отмечалось, в модуле NL-4RTD использован алгоритм регулирования, основанный на дискретизации классического уравнения ПИД-регулятора:

, (3.12)

в котором , – выходная и входная величины регулятора, параметры настройки у которого следующие: – коэффициент пропорциональности регулятора, – постоянная времени интегрирования, [c]; – постоянная времени дифференцирования, [c].

Входной величиной для модуля NL-4RTD в учебном лабораторном стенде является температура. Выходной величиной – скважность импульсов ν, представляющая собой отношение длительности импульса T_имп к его периоду T_ШИМ, т.е.

ν = T_имп / T_ШИМ.

Следовательно, коэффициент пропорциональности регулятора будет иметь размерность 1/^оC. Точность представления длительности импульса T_имп в модуле NL-4RTD задается равной 0.01 с., а его максимальная вели-чина по модулю равна T_ШИМ.

В результате квантования по времени уравнения (3.12) получим дискретный алгоритм ПИД-регулятора:

(3.12)

где – коэфффициент интегрирования; – коэффициент дифференцирования; x_i – цифровой код текущего значения входной переменной регулятора (температуры) на i -том шаге его работы, измеренный по нулевому каналу Vin0; x_z – зна-чение кода задания по температуре, – циф-ровой код сигнала рассогласования со знаком «минус». Коэффициенты настройки модуля NL-4RTD рассчитываются по следующим формулам:

, (3.13)

, (3.14)

в которых:

– шаг дискретности по времени, связанный со временем регулирования соотношениями:

, или (3.15)

с допустимым диапазоном от 1 до 999 с с шагом 1 с;

T_ШИМ – период широтно-импульсного модулятора, задава-емый в диапазоне от 1 до 99,9 с с шагом 0,1 с;

коэффициенты , ,вычисленные предварительно поуказанным выше формулам и имеющие ту же размерность, что и , должны задаваться в пределах:

– от 0,001 до 0,999,

– от 0,01 до 9,99.

Длительность импульса широтно-импульсного моду-лятора T_имп, вычисляемая контроллером по выражению ( 3.12 ), может изменяться в диапазоне от - T_ШИМ до + T_ШИМ с шагом 0,01 с. Если длительность импульса T_имп >0, то импульс подается на выход Dout0 (нагреватель), если же T_имп <0, то импульс подается на выход Dout1 (охла-дитель). При этом выход Dout0 выключается.

Форматы записи команд, необходимых для настройки ПИД-регулятора в модуле NL-4RTD, и последовательность их ввода представлены ниже (для написания команд могут использоваться как малые, так и прописные буквы).

Для настройки регулятора в модуль NL-4RTD необ-ходимо послать следующий набор команд (числовые данные могут варьироваться в зависимости от ОУ, ре-зультатов идентификации и расчета параметров регуля-тора):

Перед вводом представленного набора команд необхо-димо послать команду ^01DOL для контрольного отклю-чения регулятора.

^01PIDP0.12 (задаем пропорциональный коэффициент , равный, например, 0,12),

^01PIDI0.020 (задаем коэффициент = 0,02),

^01PIDD1.25 (задаем коэффициент = 1,25),

^01PIDS10.0 (задаем период ШИМ равный T_ШИМ = 10 с),

^01PIDR020 (задаем дискретности по времени = 20 с),

^01PIDT+03000 (устанавливаем заданную величину тем-пературы, например, 30⁰, поддерживаемую ПИД-регуля-тором).

^01DOP (включаем управление выходами Dout0 и Dout1 от ПИД регулятора).

Набираются команды в консольном режиме из ОРС-сервера NLopc (рис. 3.15) после нажатия ПК (правой кнопкой мыши) на изображении блока NL-4RTD

Рис. 3.15

4. Запуск проекта и сохранение результатов экспе-римента. Для запуска созданного проекта необходимо кон-вертировать его в бинарный файл (для монитора реального времени). Для этого нужно ЛК выделить узел RTM_1, затем нажать на иконку . Если преобразование пройдет успеш-но, станет доступной иконка запуска профайлера . После открытия профайлера, в нашем случае имеющего вид со-зданного тренда, мы можем запустить проект на исполнение, нажав кнопку в панели инструментов. Сохранить результаты эксперимента можно в стандартной программе Paint нажатием клавиши Print Screen.

 

5. Содержание отчета

Отчет о выполнении задания должен содержать:

1.Цель работы (задание).

2.Формулы и результаты расчета параметров регуля-тора для исследуемого объекта.

3.Результаты моделирования замкнутой системы в па-кете MATLAB.

4.Экспериментальные характеристики.

5.Критические замечания.

6.Выводы по результатам работы.

 

Контрольные вопросы

1. Объясните переход от аналогового алгоритма ПИД-регулятора к дискретному.

2. Охарактеризуйте процедуру создания экрана «от шаблона».

3. Как для «АРМ диспетчера» назначаются необхо-димые аргументы, задаются их имена, тип данных, значения по умолчанию, привязки, флаги?

4. Каким аргументам назначается тип IN, а каким OUT или IN\OUT?

1. Как на экране разместить ГЭ «Тренд» и задать кривым цвет, толщину линий, интервалы выводимых значений?
2. Назначение широтно-импульсного модулятора.
3. Каковы особенности создания компонентов источ-ников/приемников для обмена по протоколу OPC?
4. Как выполняются привязки аппаратных средств ввода/вывода к каналам?
5. Как осуществляется назначение передачи информа-ции между каналами?
6. Чем отличаются обозначения канала, к которому привязывается какой-либо канал от канала,с которогоосуществляется привязка?
7. Почему созданная АСУТП может быть отнесена к 2- уровневой?