Алгоритм автонастройки ПИД – регулятора основанный на методе Циглера - Николса

Аңдатпа

 

Дипломдық жўмыста Циглер-Николс әдісінің негізінде ПИД - реттеушіні автоматты  түрде күйге клтіретін алгоритм жасалған. Оның (алгоритм) негізінде  ПИД - реттеушіні қол және автоматты түрде күйге келтіруді зерттеу үшін бағдарламалы қамтамасыз ету жасалған. Эмпирикалық жолмен екі формула шығарылған.

Бұл жұмыс ИК кафедраның оқу процессіне еңгізілді. Техника-экономикалық көрсеткіштері  және өміртіршілік қауіпсіздік мәселелері бойынша бірқатар есептердің шешімі келтірілген.

 

Аннотация

 

В дипломной работе разработан алгоритм автонастройки ПИД – регулятора основанный на методе Циглера - Николса. На его (алгоритм) основе разработано программное обеспечение для исследования ручной и автоматической настройки ПИД – регулятора. Эмпирическим путем выведены две формулы.

Данная работа внедрена в учебный процесс кафедры  ИК. Проведен расчет технико-экономических показателей и решен ряд вопросов по безопасности жизнедеятельности.

 

Содержание

Введение 9

Глава 1 Обзор методов и средств для  разработки алгоритма автонастройки  параметров регулятора 10

1.1 Анализ методов настройки ПИД  – регулятора 10

1.1.1 Метод  масштабирования 10

1.1.2 Метод Циглера-Николса 11

1.1.3 Метод  CHR 13

1.2 Обзор средств для программной   реализации алгоритма автонастройки 14

1.3 Обзор библиотеки стандартных  функций СПЛК Simatic S7 17

1.4 Постановка задачи 19

Глава 2 Разработка программного обеспечения  для исследования ручной и автоматической настройки ПИД — регулятора 22

2.1 Выбор и обоснование метода  настройки регулятора 22

2.2 Выбор и обоснование математических  моделей объектов 22

2.3 Разработка алгоритма автоматической  настройки регулятора 27

2.3.1 Определение  значения К_КР 27

2.3.2 Определение  значения Т_КР 30

2.3.3 Определение оптимальных параметров ПИД – регулятора 31

2.4 Тестирование разработанного программного  обеспечения 33

Глава 3 Разработка методических указаний 40

3.1 Аспекты разработки лабораторной  работы 40

3.2 Разработка методических указаний  к лабораторной работы на тему: «Исследование режима автонастройки  типовых  объектов регулирования» 41

Глава 4 Безопасность жизнедеятельности 45

4.1 Анализ условий труда обслуживающего  персонала проектируемого программного  обеспечения 45

4.2 Эргономические требования к  рабочему месту 46

4.3 Расчет системы зануления 50

4.3.1 Выбор  аппарата защиты, сопротивления  и места сооружения повторных  заземлений 51

4.3.2 Расчетная  проверка зануления 51

Глава 5 Технико-экономическое обоснование 56

5.1 Описание работы и обоснование  необходимости 56

5.2 Финансовый план 57

5.2.1 Расчет  затрат на разработку 57

5.2.2 Расчет  фонда оплаты выполнения разработки  ПО 57

5.2.3 Расчёт  затрат по социальному налогу 58

5.2.4 Расчет  затрат на электроэнергию 59

5.2.5 Расчет  затрат на материалы 59

5.2.6 Расчет  стоимости по всем статьям  затрат 60

Заключение 61

Список  литературы 62

Приложение  А 63

Приложение  B 64

Приложение  С 65

 

 

 

Введение

Заставить автоматику работать с максимальной эффективностью - задача непростая  даже для специалистов. Причина в  том, что традиционные инженерные методики настройки регуляторов либо чрезмерно  трудоемки, либо не обладают необходимой  точностью. Как правило, их применение позволяет обеспечить устойчивость САР (т.е. работоспособность системы), но не гарантирует ее качественной работы. Задачу определения рациональных настроек регуляторов дополнительно  усложняют различия в программной  реализации законов управления, наблюдаемые, у разных изготовителей регуляторов. В первую очередь это относится  к ПИД закону. В результате регуляторы от разных производителей при одинаковых настройках обеспечивают в одинаковых условиях различное качество работы САР. Принято считать, что наилучшим  решением проблемы является передача функций выбора параметров настройки  самим цифровым регуляторам. С этой целью для них разрабатываются  алгоритмы автонастройки. К сожалению, в силу сложности проблемы известные  алгоритмы "срабатывают" (т.е. завершаются  выдачей результата) на ограниченном классе объектов управления. Ещё более  узким оказывается круг объектов, на которых эти алгоритмы приводят к рациональному (качественному) результату. Как правило, полученные автонастройкой параметры регуляторов допускают  последующую оптимизацию с ощутимым повышением качества работы САР. Всё  сказанное свидетельствует о  том, что проблема определения рациональных настроек регуляторов в замкнутых  САР еще не нашла своего окончательного решения.

Несмотря на то, что техника регулирования накопила достаточное количество новых подходов и методов, проектирование автоматических регуляторов и определение их параметров, удовлетворяющих конкретным требованиям к САР, нуждаются в дальнейшей серьезной проработке. Учитывая современный уровень техники и требования практики, основным направлением решения проблемы является коренное совершенствование методов расчета регуляторов, а также создание адаптивных систем регулирования.

Излагаемый в данной работе метод  автонастройки ПИД - регулятора можно рассматривать как ещё один подход к решению названной проблемы.

 

 

Глава 1 Обзор методов и  средств для разработки алгоритма  автонастройки параметров регулятора

1.1 Анализ методов настройки ПИД – регулятора

 

В настоящее  время еще отсутствует единый метод расчета параметров регулятора для оптимизированного контура  регулирования. Предложен ряд подходов, многие из которых требуют наличия  математической модели реального объекта. Наиболее известными методами настройки  автоматических регуляторов являются следующие:

 

— метод  Циглера-Николса (Ziegler-Nichols);

— метод  Чина (Chien)-Хронеса (Hrones)-Pecвикa (Reswick);

— метод масштабирования и др.

1.1.1 Метод  масштабирования

 

Основная идея метода состоит в том, чтобы при определении параметров настройки регулятора в замкнутой САР с конкретным (действительным) объектом управления, использовать сведения о раннее выполненной качественной настройке такого же регулятора, но в другой САР, с другим объектом управления. Последнюю САР условимся называть эталонной. Она аккумулирует в себе раннее накопленный опыт настройки регуляторов. Наладчику известны все сведения об объекте управления в эталонной САР (об эталонном объекте) и о параметрах настройки регулятора (эталонных параметрах). Предполагается, что эти настройки обеспечивают наиболее предпочтительный, по мнению наладчика, характер переходных процессов в эталонной САР. Это существенный момент, поскольку ММ ориентирован на получение в настраиваемой и эталонной САР подобных по характеру динамических процессов управления[1].

Обязательными исходными данными  для всех известных методов определения  настроек регуляторов являются сведения о реакции объекта управления на управляющее воздействие. Отличительная особенность ММ состоит в расширении используемых исходных данных. Наряду с обязательными (традиционными) сведениями об объекте управления они включают также информацию об эталонной системе.

Алгоритм реализации ММ сводится к следующим трем действиям:

1. Аппроксимации эталонного и действительного объектов управления математической моделью определенного вида (о выборе модели будет сказано дальше).
2. Введению искусственной системы координат  и определению масштабных коэффициентов Мх и Мt , связывающих между собой координаты реальной (x, t) и искусственной систем. Цель второго действия - привести запись математической модели действительного объекта управления в искусственной системе координат к виду математической модели эталонного объекта управления. Тогда и параметры настраиваемого регулятора в искусственной координатной системе должны будут совпадать с параметрами эталонного регулятора. 
    
3. Переводу настроек регулятора из искусственной системы координат в реальную с помощью раннее определенных масштабных коэффициентов Мх и Мt . Полученный результат явится искомым решением задачи определения параметров регулятора в настраиваемый САР.

 

Представленный алгоритм метода масштабирования  допускает различные варианты в  реализации, которые могут отличаться между собой не только трудоемкостью  расчетов, но и приводить к разным значениям настроек регуляторов.

1.1.2 Метод Циглера-Николса

 

27-летий J. G. Ziegler и 33-летний N. B. Nichols, проводившие испытания пневматических регуляторов в 1941 году в компании "Taylor Instruments" (г. Рочестер, штат Нью-Йорк) установили закономерность в переходных процессах. Она (закономерность) заключалась в том, что оптимальная зона пропорциональности П-регулятора, как правило, в два раза больше величины зоны пропорциональности, при которой в САР начинается автоколебательный процесс[2].

J. G. Ziegler и N. B. Nichols также определили  зависимость между периодом возникающих  автоколебаний и постоянными  времени интегрирования и дифференцирования.

Благодаря найденным соотношениям, появилась возможность быстро и  просто настраивать П-, ПИ- и ПИД-регуляторы, не прибегая к сложным математическим расчетам.

Ниже приводится последовательность испытания САР для определения  параметров настройки П-, ПИ- и ПИД-регуляторов  по методу Циглера (Зиглера) - Николса.

 

а)выставляем время интегрирования и дифференцирования на ноль;

б)выставляем широкую зону пропорциональности регулятора и наблюдаем как протекает переходный процесс в САР;

в)постепенно уменьшая зону пропорциональности регулятора выходим на значение Ккр, при котором начинается автоколебательный процесс с постоянной амплитудой (см. рисунок 1.1);

г)измеряем период колебаний Tкр;

д)пользуясь таблицей (см. таблицу 1.1) вычисляем значения параметров настройки регулятора;

ж)выставляем полученные значения для зоны пропорциональности, постоянной времени интегрирования и постоянной времени дифференцирования;

з)проверяем работу регулятора и при необходимости осуществляем подстройку параметров.

 

Таблица 1.1 – Оптимальные настройки П-, ПИ- регуляторов

Тип регулятора	Коэффициент передачи	Постоянная времени интегрирования	Постоянная времени дифференцирования
П	0,5Kкp	-	-
ПИ	0,45 Kкр	0,83Ткр	-
ПИД	0,6 Kкр	0,5 Tкр	0,125 Tкр

 

Рисунок 1.1-График регулируемой величины

в режиме автоколебаний

 

Согласно J. G. Ziegler и N. B. Nichols, оптимальная настройка регулятора достигнута, когда величина каждой следующей полуволны перерегулирования меньше предыдущей на три-четверти (см. рисунок 1.2).

Рисунок 1.2- График регулируемой величины

с оптимальной настройкой регулятора

1.1.3 Метод CHR 

 

При этом методе настройка параметров регулятора выполняется на базе переходной характеристики объекта регулирования. Выдается скачок регулирующей величины, равный 100%. С формы действительного  значения регулируемой величины считываются  времена Tu и Тg (см. рисунок 1.3). Ks является коэффициентом пропорционального воздействия объекта регулирования[3].

 

Рисунок 1.3- Форма регулируемой величины после скачка регулирующей величины

 

Порядок действий:

 

а)Переключить регулятор на ручной режим.

б)Вывести скачок регулирующей величины и записать с помощью записывающего устройства.

в)При критических характерах (например, в случае опасности перегрева) необходимо своевременно отключать (учитывать, что при термически инертных системах действительное значение регулируемой величины после отключения может повышаться).

 

В приводимой ниже таблице настроечные  значения для параметров регулятора указаны в зависимости от Ти, Тд и Ks для управляемости и поведения при возмущающем воздействии, а также для апериодического регулирования и регулирования с 20% перерегулирования. Они действительны для объектов регулирования с П-характеристикой, с запаздыванием и временем выдержки 1 -го порядка.

 

 

Таблица 1.2- Настройка параметров по Chien, Hrones и Reswick

 

Коэффициент пропорционального воздействия  Ks объекта регулирования можно рассчитать в соответствии с рисунком на предыдущей странице через нарастание касательной в точке перегиба, т. е. через ΔХ/Δt (ΔY: скачок регулирующей величины):

	(1.1)

 

1.2 Обзор средств для программной  реализации алгоритма автонастройки

 

STEP 7 – это базовый пакет программ[5], включающий в свой состав  весь  спектр инструментальных  средств,  необходимых для конфигурирования  аппаратуры  и промышленных  сетей,  настройки параметров,  программирования,  диагностики и обслуживания  систем  управления,  построенных на  основе  программируемых контроллеров SIMATIC S7-300/S7-400/C7/WinAC. Отличительной особенностью  пакета STEP 7  является  возможность разработки  комплексных проектов  автоматизации,  базирующихся на использовании множества программируемых контроллеров,  промышленных  компьютеров,  устройств и систем человеко-машинного интерфейса,  устройств распределенного ввода-вывода,  сетевых структур промышленной  связи. Ограничения на  разработку  таких проектов  накладываются только функциональными возможностями программаторов  или компьютеров.  При необходимости STEP 7  может дополняться инструментальными  средствами  проектирования,  значительно  упрощающими разработку сложных проектов.