Информационные представления адаптивного трехпозиционного алгоритма для его аппаратных и программных реализаций Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Порхало В. А., Бажанов А. Г., Магергут В. З.

Текст научной работы на тему «Информационные представления адаптивного трехпозиционного алгоритма для его аппаратных и программных реализаций»

Серия История. Политология. Экономика. Информатика. 2011. № 1 (96). Выпуск 17/1

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ АДАПТИВНОГО ТРЕХПОЗИЦИОННОГО АЛГОРИТМА ДЛЯ ЕГО АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ РЕАЛИЗАЦИЙ

Объекты с позиционным управлением являются довольно распространенными как в промышленности, так и в быту. В промышленности доля таких объектов составляет порядка 15-20%, а в бытовой технике - 80-90%. Примерами таких объектов являются водогрейные котлоагрегаты, бытовые и промышленные холодильники, системы отопления жилых помещений, электрические печи и нагреватели, экструдеры, прессовое оборудование и др.

Несмотря на возможности современной контроллерной техники, управление названными объектами в настоящее время осуществляется в большинстве случаев с применением простейших двух- либо трехпозиционных алгоритмов, что не обеспечивает достаточное качество регулирования.

На кафедре «Техническая кибернетика» БГТУ им. В.Г. Шухова на протяжении ряда лет разрабатываются программно-аппаратные регуляторы и приставки адаптивного позиционного регулирования и нечеткого позиционного управления. Их внедрение улучшает показатели качества названных выше систем со всеми вытекающими из этого результатами. Кроме того, это позволяет снижать энергопотребление объектов на 5

7%> а в ряде случаев на 10-12%.

Ниже рассмотрена блок-схема адаптивной трехпозиционной приставки, ориентированная на ее аппаратную реализацию в соответствии со способом по патенту РФ №2220432 [1], и описан алгоритм ее работы, а затем рассмотрено два варианта написания этого алгоритма (в виде блок-схемы и графа операций) для его программной реализации.

Суть приставки заключается в преобразовании традиционного трехпозицион-ного алгоритма с фиксированными позициями в алгоритм с адаптивной средней позицией. При этом в приставке обеспечивается бесконтактность подключения функционального звена перенастройки (ФЗП) в сравнении, например, с контактным его подключением [2], что повышает надежность работы приставки при ее аппаратной реализации. Бесконтактность подключения ФЗП достигается его подключением на выход аппаратного трехпозиционного регулятора с фиксированными позициями параллельно с усилительным звеном с коэффициентом усиления К>2 и последующей подачей суммарного сигнала этих двух параллельных ветвей на звено типа насыщения с единичным коэффициентом усиления и значениями сигналов насыщения, равными значениям крайних позиций исходного трехпозиционного регулятора относительно

Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова

Рассмотрены различные информационные представления адаптивного трехпозиционного алгоритма, описанного в способе по патенту РФ №2220432. Варианты программной реализации алгоритма рассмотрены с проведением аналогий с принципами его аппаратной реализации и с отражением особенностей вариантов, в том числе, в части реализации адаптивной приставки. Приведены достоинства этих представлений в зависимости от вида реализации. Описана программная АСР температуры нагревательного элемента и приведены сравнительные результаты ее работы с системой традиционного трехпозиционного регулирования.

Ключевые слова: трехпозиционный, адаптивный, регулятор, качество, система, структура, управление, эксперимент.

средней. Принцип работы устройства демонстрируется блок-схемой, показанной на рис.1.

Рис. 1. Блок-схема работы адаптивного трехпозиционного алгоритма

На схеме цифрами обозначены: 1 - элемент сравнения, 2 - пороговые устройства переключения позиций, з - трехпозиционный регулятор с фиксированными позициями и зоной нечувствительности, 4 - алгебраический сумматор, 5 - усилительное звено с коэффициентом усиления, равным или большим двух (К>2); 6 - функциональное звено перенастройки (ФЗП); 7 - звено памяти (П) сигнала ФЗП; 8, ю -сумматоры; 9 - звено типа насыщения. Элемент сравнения 1 предназначен для сравнения сигналов задания зоны нечувствительности и У2 с сигналом У регулируемой величины.

Пороговые устройства 2 обеспечивают пороговые (скачкообразные) изменения сигналов, соответствующих позициям регулятора, причем значения сигналов крайних позиций - верхней ив и нижней Ин имеют равные по модулю значения | Аих| относительно сигнала средней позиции Иср. Переключение сигналов позиций с нижней на среднюю или со средней на верхнюю (или наоборот) происходит при достижении регулируемой величиной У соответствующих сигналов заданий зоны или У2. То есть, переключение имеет место при вхождении (или выбеге) регулируемой величины в зону (из зоны) нечувствительности АУ = У-2 - У!, которая также является фиксированной. Выходным сигналом И1 пороговых устройств 2 является один из сигналов позиций Ив, Иср или Ин.

Элемент сравнения 1 совместно с пороговыми устройствами 2 образуют трехпозиционный регулятор з с фиксированными позициями - нижней, средней, верхней и зоной нечувствительности АУ, на выходе которого при достижении сигналом регулируемой величины У сигналов задания зоны нечувствительности и У2 появляются сигналы соответствующих позиций Ин, Иср или Ив.

На положительный вход алгебраического сумматора 4 подается выходной сигнал И! трехпозиционного регулятора 3, а на отрицательный - опорный сигнал, равный значению сигнала средней позиции Иср трехпозиционного регулятора 3. Выходной сигнал Д алгебраического сумматора 4, равный нулю при И1 = Иср или ± Д II, при Ц1= Ив или II, = Ин подается одновременно на усилительное звено 5 с К>2 и ФЗП 6.

ФЗП выбирается в зависимости от желаемого вида реализации адаптации средней позиции: дискретного или аналогового. Так, при аналоговой реализации ФЗП в качестве него берется, например, интегрирующее звено с передаточной функцией

где Ти - время интегрирования (параметр настройки ФЗП), э - оператор Лапласа, реализующее линейное изменение адаптивной средней позиции в соответствии с уравнением

или апериодическое первого порядка с передаточной функцией

где Га - постоянная времени звена (также параметр настройки ФЗП), реализующего экспоненциальное изменение адаптивной средней позиции в соответствии с уравнением

где в (2), (4) и - время нахождения (выбега) регулируемой величины вне (из) зоны нечувствительности AY, а А = Ui-Ucp.

При дискретном выборе реализации адаптивной средней позиции на выходе ФЗП сигнал g2 изменяется скачком на какую-то величину Ag2.

Последовательно с ФЗП в случае его реализации в виде апериодического звена первого порядка включается звено памяти у запоминания сигнала ФЗП, имеющего место в моменты переключения входного сигнала на ФЗП с сигнала крайней позиции на среднюю, то есть в моменты появления сигнала А=о. Такое звено памяти (П) удерживает значение сигнала ФЗП, соответствующего значению вновь сформированного сигнала адаптивной средней позиции, при вхождении регулируемой величины Y в зону нечувствительности AY и переключении регулятора з на среднюю позицию. При реализации ФЗП в виде интегрирующего звена необходимость в звене памяти 7 отпадает, так как при переключении регулятора з на среднюю позицию сигнал А=о и сигнал в соответствии с (2) перестает изменяться, то есть запоминается. То же происходит и при дискретном изменении сигнала в ФЗП, так как такое запоминание происходит путем конструктивного выполнения ФЗП.

На представленной на рисунке 2 блок-схеме программной реализации алгоритма блоки 2-8 соответствуют обычному трехпозиционному алгоритму, то есть блоку 3 на рис. 1, а блоки 9-27, обведенные в пунктирную рамку, соответствуют программной приставке, которая позволяет реализовать адаптивный трехпозиционный алгоритм (программный аналог аппаратной приставки на рисунке 1, то есть его части после исключения блока 3). Переменные блок-схемы, соответствуют рис. i за исключением timen и timer2, которые являются таймерами определяющими время, через которое происходит перенастройка звена ФЗП приставки по выходу из средней позиции на верхнюю или нижнюю позицию. Они необходимы только в программной реализации вследствие быстродействия контроллера и слишком быстрого перестроения ФЗП.

Сигналы после усилительного звена 5 - gl (блок ю на рис. 2) и после ФЗП 6 и звена памяти 7 - g2 (блок 19 на рис. 2) суммируются на сумматоре 8 (блок 20 на рис. 2) и подаются на элемент насыщения 9 (блоки 21 - 26 на рис. 2), который конструктивно может быть выполнен в виде двух последовательно соединенных ограничителей сиг-

Рис. 2. Блок-схема программной реализации алгоритма

Серия История. Политология. Экономика. Информатика. 2011. № 1 (96). Выпуск 17/1

налов, один из которых настроен на ограничение сигнала по минимуму, а другой - по максимуму, причем значения этих ограничений соответствуют значениям \AXJi |.

Сигнал на выходе элемента насыщения 9 (на входе блока 27 на рис. 2) в точности соответствует сигналам крайних позиций регулятора 3 относительно сигнала его средней позиции 11ср при нахождении регулируемой величины У вне его зоны нечувствительности ДУ и сигналу адаптивной средней позиции, обеспечиваемой ФЗП, при нахождении регулируемой величины в зоне регулятора 3. При этом никаких контактных устройств подключения ФЗП схема на рис. 1не содержит.

Для перехода к реальным сигналам, воздействующим на объект управления -и3, сигнал с выхода звена насыщения 9 и2 суммируется на сумматоре 10 (блок 27 на рис. 2) с сигналом Иср, то есть и3=и2+иср.

Предлагаемый алгоритм целесообразно применять для преобразования традиционного трехпозиционного алгоритма с фиксированными позициями в адаптивный с адаптивной средней позицией путем подключения к выходу традиционного трехпозиционного аппаратного регулятора приставки, содержащей звенья 4-10 в соответствии с рисунком 1, или к выходу традиционного трехпозиционного программного регулятора программной приставки, содержащей блоки 9-27 в соответствии с рис. 2.

Отметим также, что в случае нулевого сигнала средней позиции трехпозиционного регулятора 11СР=о сигнал выхода последнего можно непосредственно подавать на параллельно включенное усилительное звено 5 с К>2 и ФЗП 6 с последовательно соединенным с ним звеном памяти (П) 7, то есть исключить из цепочки передачи сигналов алгебраический сумматор 4, а также за выходной сигнал предлагаемого регулятора брать сигнал Ш с выхода звена типа насыщения 9, то есть исключить из схемы также и последний сумматор 10. Аналогично соответствующие блоки (9 и 27 на рис. 2) можно исключить при программной реализации алгоритма. Наконец отметим, что в реальной программе выходной сигнал блока 27 подается на реальный объект управления через ШИМ блок, а с объекта, в виде сигнала с датчика, на блок 2 блок-схемы. С этого же блока подается «фиктивная» команда на прекращение работы программы.

Программная реализация трехпозиционного адаптивного алгоритма в виде помеченной сети Петри (графа операций) [3] представлена на рис. 3. Здесь можно выделить алгоритм трехпозиционного регулятора (позиции Рг, Р2, Р3) и алгоритм программной приставки, реализующей адаптацию (позиции заключенные в пунктирный прямоугольник). Обозначения и пометки операций и переходов этой помеченной сети Петри представлены в таблице 1.

Представление алгоритма в виде помеченной сети Петри дает возможность реализации алгоритма с помощью универсальной программы логического управления (УПЛУ) [4], что намного упрощает механизм реализации программы, поскольку в УПЛУ достаточно вписать лишь шесть матриц, описывающих структуру и работу графа операций.

Для проверки алгоритма была собрана система управления нагревательным элементом. Элемент представляет собой коммутируемую спираль, изготовленную из нихромовой проволоки. Для коммутации используется высоковольтное реле с логическим управлением потенциалом 24В. В качестве устройства управления использовался контроллер Siemens S7 200 CPU-224, для измерения температуры дополнительно использовался модуль ввода аналоговых сигналов ЕМ231.

Обозначения датчиков, команд, исполнительных устройств и условий их срабатывания, пометки переходов и позиций сети Петри адаптивного трехпозиционного алгоритма

Обозначения датчиков, исполнительных уст- Пометки Обозначения и пометки по-

ройств, переменных, таймеров переходов зиций

Х1 - датчик выхода за нижнюю зону нечувстви- to: Yo Р0: начальная позиция сети

тельности трехпозиционного регулято- Рср: средняя фиксированная

ра X, = У < ух, X = У > у toi X 2 X J позиция

Рь верхняя фиксированная

Х2 - датчик превышения верхней зоны нечувст- ti: X JX 2 позиция

вительности трехпозиционного регулятора _

X 2 = У > У2, X 2 = У < У2 t2: X1X 2 Ггь л Гср

X1X 2 Р2: нижняя фиксированная

уо-команда на включение ПЛК t3: позиция

у1-перестроение 3-х позиционного неадаптиро- t4: Yib Гш л У\ср

уг-флаг выполнения операции Р3 Ъ = (и, - иср)- 2г2

Уз-флаг перестроения ФЗП t6: Yjcp

у4-флаг выполнения операции ФЗП + Р3 Р4: запуск таймера 111

у5 условие (ФЗП+Р3)<-Ди1 t7: T Р5: запуск таймера ш

уе условие (ФЗП+Р3)> ДИ! t8: T 2 Ре: выключение таймеров

Х1-сработал таймер 111 нахождения в верхней по- и, и 2 Р7: перенастройка ФЗП

зиции тг-сработал таймер и2 нахождения в нижней по- t9: yiTi

зиции tio Y2Y3 (фзп+дфзп) л узи,

у7сР(ФЗП+Р3)+иср))> tl2 Y2Y3 (фзп-дфзп) л уъи2

Ъв, Ъа, 2с? - флаги соответствия верхнему, ниж- Р9: вычисление 0=01+02

нему и среднему насыщению tl3- Y2 Рю: верхняя позиция зоны

ш-таймер 1 Y4Y6 насыщения

ш-таймер 2 tl4' у7 в л 2в л 2н л 2ср

tl5- Рп: нижняя позиция зоны на-

ti6. Y 4YY6 сыщения

Y7в у 7 н л 2в л 2н л 2ср

Р12: выход из зоны нечувстви-

ti8 Y7h тельности СП)

tl9 Y7ср у7ср л 2в л 2н л 2ср

Система управления изображена на рис. 4. В состав системы управления входит контроллер (К), в котором зашит алгоритм регулятора, термопара Метран-286-02 (Т), измеряющая значение температуры, модуль ввода (МБ), преобразующий сигнал термопары в сигнале уровня 4-20 мА, реле (Р) для коммутации нагревателя и блок питания (БП).

Серия История. Политология. Экономика. Информатика. 2011. № 1 (96). Выпуск 17/1

Далее представлены графики, полученные при работе установки по адаптивному трехпозиционному алгоритму, описанному в патенте РФ №2220432 и реализованному теперь программно по блок-схеме рис. 2, а также по алгоритму с типовым неадаптивным трехпозиционным алгоритмом. Улучшение качества работы адаптивного регулятора можно однозначно определить при сравнении трендов, представленных на рис. 5 и 6.

Рис. 4. Функциональная схема системы регулирования температуры

На рис. 5 представлен тренд работы традиционного трехпозиционного (неадаптивного) алгоритма управления, где 1 - измеренное значение температуры, 2 - задание, 3 и 4 - соответственно верхняя и нижняя граница зоны нечувствительности, 5 - мощность ШИМ сигнала (время включение нагревателя, максимум-юо%).

Рис. 5. Тренд работы нагревателя при традиционном (неадаптивном) трехпозиционном

Как видно, неадаптивный алгоритм не в состоянии стабилизировать температуру в заданном интервале зоны, причем, наблюдается неудовлетворительное качество регулирования.

На рисунке 6 представлен тренд работы адаптивного трехпозиционного алгоритма управления, из которого видно, что стабилизация режима работы нагревателя происходит достаточно быстро, а температура входит в заданные границы зоны. Отметим, что на рис. 5 и 6, из-за трудности показа адаптации средней позиции с использованием ШИМ сигнала (в силу большой скорости переключения), это сделано в аналоговой его интерпретации.

Отметим, что даже при снижении значения средней позиции неадаптивного трехпозиционного регулятора до 30% вместо 50% его работа не может приблизиться к качеству и скорости работы адаптивного трехпозиционного алгоритма.

Программная реализация адаптивной приставки была выполнена в среде Siemens Step7 Micro Win на контроллере Siemens S7-200 CPU-224, а весь алгоритм был собран в единый функциональный блок. На рис. 7 представлен универсальный FBD-блок, представляющий собой программную реализацию адаптивной приставки, который может включаться в библиотеку программирования среды Siemens Step7 и позволяет использовать этот блок для аналогичных задач адаптивного трехпозиционного регулирования.

Рис. 6. Тренд работы нагревателя при адаптивном трехпозиционном алгоритме регулирования

Таким образом, имеем несколько различных представлений адаптивного трех-позиционного алгоритма: в виде блок-схем аппаратной (рисунок 1) или программной (рис. 2) реализаций, помеченной сети Петри (рис. з) и РВБ-блока (рис. 7), что позволяет использовать их для тех или иных целей, причем, каждый из вариантов представления имеет свою преимущественную область применения.

В целом же, анализируя результаты экспериментов, можно сделать вывод, что трехпозиционный адаптивный алгоритм является предпочтительным для использования в системах позиционного регулирования, особенно, с меняющейся нагрузкой объекта, поскольку он как улучшает качество АСР, так и приводит к экономии энергии.

Network 2 Испльзование адаптивноготренпозиционного закона

AlwaysOn— AdaptOff— Temperature— T_zad— T_zona_nechuvstv— FZP_delta— V_min— V_max— 300-