ЖУРНАЛ «СТА» №1/2008

90 СТА 1/2008 www.cta.ru В настоящий момент отсутствуют простые, надёжные и обще- принятые методы автоматической настройки. Основные принципы Все виды автоматической настройки используют три принци- пиально важных этапа: идентификация, расчёт параметров регу- лятора, настройка регулятора [7]. Часто конечный этап включа- ет этап подстройки (заключительная оптимизация настройки). Оптимизация настройки необходима в связи с тем, что методы расчёта параметров регулятора по формулам не учитывают нели- нейности объекта, в частности, всегда присутствующую нели- нейность типа «ограничение», а идентификация параметров объекта выполняется с некоторой погрешностью. Подстройка регулятора может быть поисковой (без идентификации объекта, путём поиска оптимальных параметров) и беспоисковой (с иден- тификацией). Поисковая идентификация базируется обычно на правилах (см. раздел «Ручная настройки ПИДрегулятора, осно- ванная на правилах») или на итерационных алгоритмах поиска минимума критериальной функции. Наиболее распространён поиск оптимальных параметров с помощью градиентного мето- да: находят производные от критериальной функции по пара- метрам ПИДрегулятора, которые являются компонентами век- тора градиента, а далее производится изменение параметров в соответствии с направлением градиента. Важно подчеркнуть, что несмотря на наличие автоматической подстройки, контроллер может не дать требуемого качества ре- гулирования по причинам, не зависящим от качества заложен- ных 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, об- рывы проводников и т.д. Поэтому, прежде чем начинать автома- тическую настройку, необходимо убедиться в отсутствии пере- численных проблем. Например, если вследствие износа механи- ческой системы появился непредусмотренный проектом гисте- резис и поэтому система находится в режиме колебаний, под- стройка регулятора может не дать желаемого результата, пока не устранена причина проблемы. Структурная схема самонастраивающейся системы приведена на рис. 23. Автонастройка практически не имеет никаких осо- бенностей по сравнению с описанными ранее методами, за ис- ключением того, что она выполняется в автоматическом режиме. Основным этапом автоматической настройки и адаптации явля- ется идентификация модели объекта. Она выполняется в автома- тическом режиме обычными методами идентификации парамет- ров моделей объектов управления [7, 10]. Автоматическая на- стройка может выполняться и без идентификации объекта, ос- новываясь на правилах (см. раздел «Ручная настройки ПИДре- гулятора, основанная на правилах») или поисковых методах. Идентификация объекта управления Для выполнения качественного регулирования, в том числе после автоматической настройки ПИДрегулятора, необходи- мы знания о динамическом поведении объекта управления. Процесс получения (синтеза) математического описания объек- та на основе экспериментально полученных сигналов на его входе и выходе называется идентификацией объекта. Математи- ческое описание может быть представлено в табличной форме или в форме уравнений. Идентификация может быть структур- ной , когда ищется структура математического описания объек- та, или параметрической , когда для известной структуры нахо- дят величины параметров, входящих в уравнения модели. Когда ищутся параметры модели с известной структурой, то говорят об идентификации параметров модели, а не объекта. Результатом идентификации может быть импульсная или пере- ходная характеристика объекта, а также соответствующие им спектральные характеристики, которые могут быть представле- ны в виде таблицы (массива), а не в форме математических за- висимостей. Табличные характеристики могут использоваться в дальнейшем для структурной и параметрической идентифика- ции математической модели объекта регулирования или непо- средственно для определения параметров ПИДрегулятора (как, например, в методе ЗиглераНикольса, см. подраздел «На- стройка параметров регулятора по методу Зиглера и Никольса»). Несмотря на разнообразие и сложность реальных объектов управления, в ПИДрегуляторах используются, как правило, только две структуры математических моделей: модель первого по- рядка с задержкой и модель второго порядка с задержкой (см. под- раздел «Модели объектов управления»). Гораздо реже использу- ются модели более высоких порядков, хотя они могут более точ- но соответствовать объекту. Существуют две причины, ограничи- вающие применение точных моделей. Первой из них является невозможность аналитического решения системы уравнений, описывающих ПИДрегулятор с моделью высокого порядка (а именно аналитические решения получили наибольшее распро- странение в ПИДрегуляторах с автоматической настройкой). Вторая причина состоит в том, что при большом числе парамет- ров и высоком уровне шума измерений количество информации, полученной в эксперименте, оказывается недостаточным для идентификации тонких особенностей поведения объекта. Выбор оптимальной модели обычно основан на критерии достаточности качества регулирования при минимальной слож- ности модели. Для нелинейных процессов и при повышенных требованиях к качеству регулирования разрабатывают модели с индивидуальной структурой, основываясь на физике процес- сов, протекающих в объекте управления. Если процесс любой сложности аппроксимировать моделью первого порядка с транспортной задержкой (рис. 24), то полу- ченные таким способом постоянная времени Т и задержка L на- зываются соответственно эффективной постоянной времени и эффективной задержкой . Идентификация может выполняться с участием оператора или в автоматическом режиме , а также непрерывно ( в реальном времени ) – в адаптивных регуляторах либо по требованию опе- ратора – в регуляторах с самонастройкой. Теория ПИДрегуляторов хорошо развита для линейных объ- ектов управления. Однако практически все реальные объекты В З АПИС Н УЮ К НИЖК У ИНЖЕ Н Е РА с щ м с с в ю с щ н т т д т м т ч с с к н н ц п д т м т ч с с к п з ю ц а н н п т ф к ц р м р г т р с к г л т р т н н ч с к к ч т н т м з ц с к т м з ц с к о х д м з т д р м р г л т р м л т в ю л н с е т с н с г с с в щ л н п р н ч н т ф к ц р м р е т п н е с к т р г н с с к г л т р ж и к в т ф к ц е т и к т м н р м р п и к в ф к ц е и к в т ф к ц з р е с н в л д н с к г л т р н н в л р ц о н г р м и к н м м т р а н ц б л п с и т м н р м р м щ д е н г т х д и в н т р а н ц р р г л т р т р л ю с п н т м р д е т л и в д с м н н р м р о в с в п л н е д е т н ч н с р л ч т м т ч с с к т л ж б м г ч с в л р в н ч н в с щ ч с в л ж г г р м п м е л н ж х е т р в в с м т р г л р в н ш д к с к р д е т е ж л н н ч к г п л ж н м н л м р н ж д п т м ш р ш щ с н ч к ж д т т н с к т н н г д с в е ж к ш ц о н т р з г ж к т ж т м х з л н в в н к э м жд ч н т м ч с с к о х д м д с с с в р л н б п м л с в н с х н с т м в с п д с р н е т т з э м т м х д с ж м л б н к г л т р ж л м г з т т к р н н ч н б м т н м м н с в щ с т м в д н т н с к т ч с е к к н с н н с н м н т д м ч н е г п н е с т м т ч с ж м н н п т м т ч с с к т ц л с т ф к ц д л е т п н е с т м ч с ж м н м т д м т ф к ц р м д л е т л н т м т ч с к ж п н с т ф к ц е т в в я в л д н с к л т р н в н в л и к в т д т ф к ц е т л н п н н ч с в н г г л р в н л с т м т ч с с к г л т р о х д н н м ч с в д н е т л н ц л ч н т з т м т ч с г с н е н в п р м т н л ч н н л д х д з в е с т ф к ц е е т т м т с с н ж с л н л н м т г с т р т м т ч с г с н е р м р ч с г в н т р х с р м р д л в н т р в р т ф к ц р м р д л е т з т т т ф к ц ж п н р н р т р с к е т ж о в с в щ т н р т р с к т р г с л д л ц с в м т м т ч с с м с л н р т р с к г п з в с н ш т н р м р ч с т ф к т м т ч с д л е т г л р в н п с в н р д л н р м р г л т р п м т д л р к с р д к р м р г л т р т д л р к с с р н о р з н а н е т л н г л т р п з ю с в л к т р т м т ч с д л д в г к д к д р г р к д к д д л е т л н р д ж п з с д л л с к р к т г л о в с в в е т щ с в ю ч н р н ч щ м н н н д л в л е с в м н л т ч с г ш н т м н н с в щ г л т д л с к г р к н л т ч с ш н л ч л б ш п н н г л т р т м т ч с с к р ч н с и ш л р м л ч н п р м т з в е с д т т н т ф к ц к б н с в д н е т б т м н д л н н в т р т т н с ч с в г л р в н н м н с д л л н н ц с в ш н б в н я ч с в г л р в н р б т в ю д л д в д а н т р н в в я з к ц т к щ е т л н л ц б н с п с м р в д л в г р к п н д к л н к с б с я н м н д к в ю с о в с в н ф т н с я н м н ф т н д к т ф к ц ж п н с с е р т р т м т ч с ж м п р н а н м н т н г л т р б б в н т р г л т р м н с к р г л т р р ш в т н н т л н н к т ч с а н е т У КНИЖК У ИНЖЕ Н Е РА Рис. 23. Общая структура системы с автоматической настройкой © 2008, CTA Тел.: (495) 234 0635 Факс: (495) 232 1653 http://www.cta.ru